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Förderung Nachhaltiger Chemischer Energieumwandlungs- technologien durch einen neuartigen interdisziplinären Ansatz der Verbrennungswissenschaft und additive Fertigung kombiniert

Thermochemische Hochtemperaturprozesse in Kombination mit kohlenstofffreien chemischen Energieträgern wie Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3) haben eine Schlüsselrolle im zukünftigen Energiesystem und in der vorangehenden Übergangsphase. H2 und NH3 haben im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen grundlegend andere Verbrennungseigenschaften, die sich z.B. in außerordentlich hohen Brenngeschwindigkeiten und unterschiedlichen Entflammbarkeitsgrenzen und Zündenergien niederschlagen. In diesem Schwerpunktprogramm SPP 2419 HyCAM wird ein neuer interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der Verbrennungsforschung und additive Fertigungskompetenzen verbindet. Die Hypothese des SPP2419 HyCAM ist, dass nur ein umfassendes Verständnis der Verbrennungsgrundlagen sowie die Integration moderner 3D-Fertigungsverfahren durch simulationsbasiertes Design die gleichzeitige Verbesserung von Flexibilität, Effizienz und Emissionen bei thermochemischen Energieumwandlungsprozessen ermöglichen. Als koordinierende und netzwerkbildende Maßnahme soll dieses Schwerpunktprogramm die relevanten Disziplinen der Chemie, Verbrennungsforschung, Werkstoffkunde und Fertigungstechnologien zusammenführen. Dieser Ansatz ermöglicht es, systematisch, schnell und interdisziplinär technologierelevante Grundlagen für den Technologiefortschritt auf dem Gebiet der thermochemischen Nutzung kohlenstofffreier Brennstoffe zu erarbeiten und damit zeitnah einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.
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Für eine Transformation des Energiesystems hin zur kohlenstoffneutralen Energiewandlung ist die thermochemische Nutzung wasserstoffbasierter Brennstoffe unerlässlich, da sie in diesem Zusammenhang erhebliche Vorteile bietet. Thermochemische Energiewandlungsverfahren sind weit verbreitet, zuverlässig und lassen sich mit Brennstoffen wie Wasserstoff und Ammoniak vollständig kohlenstofffrei betreiben. Sie sind „drop-in“-fähig und ermöglichen eine graduelle Substitution fossiler Energieträger, wodurch komplexe disruptive Technologiewechsel vermieden werden. Daher kommen thermochemischen Hochtemperaturprozessen in Verbindung mit kohlenstofffreien chemischen Energieträgern im Energiesystem der Zukunft und der vorangehenden Übergangsphase Schlüsselrollen zu. Diese Technologien erfordern Brennstoffflexibilität, die hier gemeinsam mit der Optimierung von Effizienz, Emissionen und Sicherheit durch die Kombination der Verbrennungswissenschaften mit innovativen Fertigungsverfahren, z. B. der additiven Fertigung, und den damit verbundenen Freiheitsgraden in Material und Design erreicht werden soll. Im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffen besitzen Wasserstoff und Ammoniak fundamental andere Verbrennungseigenschaften, die sich etwa in außerordentlich hohen Brenngeschwindigkeiten sowie unterschiedlichen Flammbarkeitsgrenzen und Zündenergien widerspiegeln. Viele dieser Aspekte sind aufgrund der bislang untergeordneten technologischen Relevanz dieser Brennstoffe nur unzureichend untersucht und für eine weitere Technologieentwicklung nicht ausreichend gut verstanden. Allerdings bergen diese Brennstoffe große Potentiale, um thermische Wirkungsgrade und Schadstoffemissionen erheblich zu verbessern.
Dabei ermöglicht simulationsgestütztes Design gemeinsam mit modernen Fertigungsverfahren neue Brennergeometrien, die den hohen Anforderungen bei der Verwendung dieser Brennstoffe genügen können.
In diesem Schwerpunktprogramm, dem SPP 2419 HyCAM, wird ein neuer interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der die Kompetenzen der Verbrennungsforschung und der additiven Fertigung miteinander verknüpft. Die Hypothese des SPP ist, dass nur ein umfassendes Verständnis der Verbrennungsgrundlagen sowie die Integration moderner 3D-Fertigungsverfahren durch simulationsgestütztes Design die gleichzeitige Verbesserung von Flexibilität, Effizienz und Emissionen in thermochemischen Energiewandlungsprozessen ermöglichen kann.
Das SPP soll als koordinierte und netzwerkbildende Maßnahme dazu beitragen, die relevanten Disziplinen der Chemie, der Verbrennungsforschung, den Materialwissenschaften und der Fertigungstechnologien zusammenzubringen. Dadurch sollen die technologierelevanten Grundlagen systematisch, schnell und interdisziplinär entwickelt werden, sodass zeitnah die Basis für weitere Technologieentwicklung im Bereich der thermochemischen Nutzung kohlenstofffreier Brennstoffe ermöglicht werden kann und so ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz geleistet wird.
Relevanz thermochemischer Energieumwandlungsprozesse von auf Wasserstoff basierenden chemischen Energieträgern.
Wasserstoff (H2) spielt eine besondere Rolle unter den erneuerbaren synthetischen Brennstoffen (RSFs). Er kann in industriellen Prozessen, zur Beheizung von Gebäuden und als Treibstoff im Transport eingesetzt werden. Seine Verwendung zur zeitversetzten Stromerzeugung ist ebenfalls möglich. Neben Wasserstoff kann auch Ammoniak (NH3) als kohlenstofffreier Energieträger genannt werden, dessen Herstellung gut verstanden ist und vollständig durch erneuerbare Energiequellen möglich ist. Ein wesentlicher Vorteil von Ammoniak gegenüber Wasserstoff ergibt sich aus seiner deutlich höheren volumetrischen Energiedichte im flüssigen Zustand, was die Langzeitlagerung und den Transport über weite Strecken begünstigt.
Thermochemische Energieumwandlungsprozesse
Die in Wasserstoff oder Ammoniak gespeicherte Energie kann durch thermochemische Energieumwandlungsprozesse genutzt werden. Solche Prozesse sind derzeit weit verbreitet im Energiesektor, besonders zuverlässig und bieten signifikante Optimierungspotenziale durch den Einsatz neuer Brennstoffe. Relevante Anwendungsbereiche sind die Rückelektrifizierung in Gasturbinen und insbesondere die Bereitstellung von Prozesswärme mit industriellen Gasbrennern. Ammoniak/Wasserstoff-Gemische sind ebenfalls besonders vielversprechend, da sie teilweise die Herausforderungen bei der Verbrennung reiner Substanzen kompensieren. Potenziale der thermochemischen Energieumwandlung von Wasserstoff ergeben sich auch bei der Beimischung von Erdgas, da Wasserstoff schrittweise der bestehenden Erdgasinfrastruktur zugeführt werden kann und so einen risikoarmen Übergang zu einer kohlenstofffreien Energiewirtschaft ermöglicht. In diesem Zusammenhang ist auch seine Verwendung zur Raumheizung interessant. Der Begriff “wasserstoffhaltige Brennstoffe” bezieht sich auf Brennstoffgemische aus Wasserstoff, Ammoniak und Kohlenwasserstoffen mit einem hohen Wasserstoff- oder Ammoniakgehalt.
Herausforderungen bei der Verwendung wasserstoffhaltiger Brennstoffe und die Relevanz des Additive Manufacturing (AM)
Molekularer Wasserstoff ist der kohlenstofffreie Energieträger, der der Energietechnik und der mobilen Nutzung am nächsten kommt. Dennoch besteht ein großer Forschungsbedarf, hauptsächlich aufgrund der spezifischen molekularen Dynamik und flammenspezifischen Eigenschaften von molekularem Wasserstoff, mit Fragen zur Flammenstabilität, Flamdynamik, Stickoxid (NOx)-Bildung und Sicherheit. Potenziale ergeben sich aus den hohen Verbrennungsgeschwindigkeiten von Wasserstoff/Luft-Gemischen, die ultramagere Verbrennungskonzepte und Effizienzverbesserungen ermöglichen. Bei Ammoniak liegen die Herausforderungen in der Neigung zur Stickoxidbildung, Toxizität, was seine Verwendung auf gut überwachte Anwendungen wie zentrale industrielle Prozesse, große Motoren und Stromerzeugung beschränkt, sowie Verbrennungsspezifische Eigenschaften wie hohe minimale Zündenergie und niedrige Flammengeschwindigkeiten. In Gemischen mit Wasserstoff können diese Eigenschaften jedoch vorteilhaft beeinflusst werden, was neue Möglichkeiten zur Prozesskontrolle eröffnet.
Zur optimalen Nutzung des Potenzials dieser Brennstoffe kann Additive Manufacturing (AM) einen wichtigen Beitrag leisten. Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsverfahren ermöglicht es nahezu uneingeschränkte Gestaltungsfreiheit, Materialkombinationen und damit umfangreiche Möglichkeiten für die funktionale Integration (z. B. Sensoren). Dies ermöglicht die Realisierung völlig neuer Brennergeometrien, die auf die Flammendynamik von wasserstoffhaltigen Flammen zugeschnitten sind und in konventionellen Herstellungsprozessen nicht realisierbar sind. Ergebnisse der Flammenuntersuchung und Simulation können für eine inverse Designoptimierung genutzt werden. Die resultierenden strömungsoptimierten Geometrien sind mit konventionellen Herstellungsverfahren kaum oder gar nicht realisierbar. Im Gegensatz dazu können Komponenten ohne den Einsatz traditioneller Werkzeuge in einer koordinierten digitalen und physischen Prozesskette durch den Einsatz von AM und basierend auf gekoppelten Modellen mit dem Anspruch “Form folgt Funktion” hergestellt werden. Sowohl ganze Brenner als auch nur kritische Komponenten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit können durch AM hergestellt werden. Die Herausforderung liegt hier unter anderem in der Verarbeitung geeigneter Materialien, die aufgrund der höheren Flammentemperatur, höherem Wassergehalt im Abgas und Material/Wasserstoff-Interaktion benötigt werden. Auch neue Konzepte für die Prozesskontrolle, wie neue Vorheizkonzepte, müssen entwickelt werden. Darüber hinaus können Sicherheitsrisiken bereits durch die Komponentenkonstruktion angegangen werden. Weitere Herausforderungen liegen in der erreichbaren Detailauflösung, die zu Oberflächenrauheit und dem Feedback von fertigungsspezifischen Merkmalen (z. B. Bauausrichtung, Stützstrukturen) im funktionalen Designprozess führt.
Strukturierung relevanter Forschungsfelder
Es ist wichtig, den Zusammenhang zwischen Additive Manufacturing und Verbrennung sowie die Wechselwirkungen in den einzelnen Disziplinen zu verstehen.
Brennerdesign (z. B. Topologieoptimierung), Sensorintegration und Materialien sind wichtig für AM. Für thermochemische Energieumwandlung finden die relevanten Prozesse auf L

Ziele

Für einen zuverlässigen und graduellen Übergang der thermochemischen Energieumwandlungsprozesse auf wasserstoffbasierte Brennstoffe sollen die notwendigen Grundlagen und neue innovative Lösungen durch die Integration von AM in die Brennerentwicklung interdisziplinär und bereichsübergreifend im Rahmen dieses DFG-Schwerpunktprogramms erforscht werden. Ziel ist es, die grundlegenden Fragen der Wasserstoff- und Ammoniakverbrennung zu untersuchen und eine Grundlage für die Überwindung anwendungsspezifischer Herausforderungen, unter anderem in industriellen Brennern und Gasturbinen, zu schaffen. AM kann dies bereits heute unterstützen. Jedoch ist eine umfassende und integrative Weiterentwicklung der Fluidmechanik- und Verbrennungsgrundlagen erforderlich, um diese Herausforderungen zu bewältigen.
Das SPP2419 HyCAM zielt darauf ab, Einblicke und Technologien zu liefern, die kurzfristig genutzt werden können, während gleichzeitig die Grundlagen für die langfristige Entwicklung zukünftiger Technologien geschaffen werden. Kurzfristig soll das aus dem SPP2419 HyCAM gewonnene Wissen einen allmählichen Ersatz fossiler Brennstoffe durch wasserstoffhaltige Energieträger in bereits vorhandenen kohlenstoffbasierten thermochemischen Umwandlungsprozessen ermöglichen und somit den Weg für einen vollständig ‘drop-in’-fähigen kontinuierlichen Energieübergang ebnen. Mittelfristig sollen eine erhöhte Brennstoffflexibilität und Prozessoptimierung unter Berücksichtigung von Stabilität, Sicherheit und Schadstoffbildung umgesetzt werden, was eine Ausweitung der selektiven Verwendung von wasserstoffhaltigen Brennstoffen ermöglicht. Langfristig sollen Technologien, die mit kohlenstofffreien wasserstoffhaltigen Brennstoffen arbeiten, in einem maßgeschneiderten, kohlenstoffneutralen Energiesystem der Zukunft eingesetzt werden. Für alle Entwicklungen ist es entscheidend, dass die einzigartigen Eigenschaften dieser Brennstoffe zusammen mit den Möglichkeiten, die sich durch den Einsatz von AM in der Brennerkonstruktion und Prozesssteuerung eröffnen, strategisch genutzt werden, um gezielte Verbesserungen in Effizienz, Emissionen sowie Brennstoff- und Betriebsflexibilität zu erreichen.

Methodeziele

Die methodischen Herausforderungen bei der Analyse, Modellierung und praktischen Umsetzung thermochemischer Energieumwandlungsprozesse liegen in der erheblichen Skalentrennung physikalisch relevanter Phänomene (von der molekularen bis zur Systemebene – “Multiskalen“), der Anzahl physikalisch relevanter Phänomene (“Multiphysik“) in der Verbrennung und dem daraus resultierenden starken nichtlinearen Verhalten. Die Konzeption hochkomplexer AM-hergestellter Brennerkonzepte und koordinierter Betriebsstrategien erfordert einen integrierten Prozess unter Verwendung prädiktiver Simulation, AM und experimenteller Analyse. Methodische Ziele bestehen daher in der Weiterentwicklung einzelner Aspekte sowie des integrativen Designprozesses.
Zur Optimierung thermochemischer Energieumwandlungsprozesse mittels inverser Designsimulation sind prädiktive und zuverlässige Simulationsmodelle erforderlich. Die derzeitigen Verbrennungssimulationsansätze verwenden jedoch oft eine ad-hoc-Auswahl von Modellen, Methoden und Daten und berücksichtigen das hier betrachtete Multiskalen-Multiphysik-Problem nicht angemessen. Modellentwicklungen basierend auf sowohl mechanistischen als auch datengetriebenen Ansätzen sind daher erforderlich. Ein Schwerpunkt liegt auf der Quantifizierung von Unsicherheiten der entwickelten und verwendeten Modelle.
Zur Auflösung der für viele makroskopische Phänomene innerhalb der Flammenstruktur von wasserstoffhaltigen Brennstoffen relevanten Prozesse sind fortschrittliche experimentelle Messmethoden erforderlich, wie zeitlich und räumlich hochauflösende laseroptische Techniken. Darüber hinaus stellt die Reduzierung von Unsicherheiten bei Reaktionskinetikparametern nach wie vor eine wesentliche Hürde bei der Entwicklung von Reaktionsmechanismen dar. Durch die systematische Kopplung von quantenmechanischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen soll im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms eine umfassende Reduzierung von Modellunsicherheiten erreicht werden. Hierbei sind die Freiheiten von AM besonders vorteilhaft, um neue grundlegende Experimente zur Reduzierung von Messunsicherheiten durch Sensorintegration zu entwerfen, z. B. durch den Einsatz gedruckter Sensoren in Strömungsreaktoren zur Messung von Druck und Temperatur. Darüber hinaus könnte AM neue, kostengünstige und robuste Flammensensorikmethoden bereitstellen, da Wasserstoffflammen kaum sichtbar sind und Ionenstromsensoren, die in vielen Baugruppen verwendet werden, für Wasserstoff aufgrund des Fehlens des CH-Radikals nicht verwendbar sind. Darüber hinaus werden hitzebeständige Materialien in die Herstellung legierter Komponenten durch schnelle Legierungsentwicklung integriert. Die Gestaltungsfreiheit, die Verwendung maßgeschneiderter Legierungen und die Möglichkeiten der Sensorintegration durch AM sollen die Realisierung innovativer Konzepte für die Entwicklung zukünftiger hoch effizienter, emissionsfreier, stabiler und sicherer Verbrennungssysteme ermöglichen.

Kurzfristige Ziele des SPP (Erste Projektphase)

Experimentelle Datenbank für kinetische Modellierung
  • Gewinnung physikalischer Erkenntnisse und Erstellung einer Datenbank aus grundlegenden Laborversuchen und direkten numerischen Simulationen zur internen Struktur von Reaktionszonen, Flammenstabilisierung, Flammenrückschlag, intrinsischen Instabilitäten und Schadstoffbildung; erste Modellierungsansätze
  • Aufbau umfangreicher, gut dokumentierter und öffentlich zugänglicher Datensätze für Systemskalen-Standardkonfigurationen mit initial AM-hergestellten Brennern (Gasturbine, industrielle Brenner)
  • Ableitung und erstmalige Umsetzung notwendiger Entwicklungsschritte (Design, Material, Prozess) im Bereich AM (basierend auf Anforderungen aus der Verbrennungstechnik) für die zukünftige Realisierung emissionsarmer Wasserstoff- und Ammoniakverbrennung
  • Entwicklung spezialisierter, brennstoffflexibler und skalierbarer Brenner/Gasturbinen für experimentelle Untersuchungen durch Sensorintegration und/oder Gasentnahmekanäle mittels AM

Mittel- bis langfristige Ziele des SPP (Zweite Projektphase)

  • Prädiktive kinetische Modelle für komplexe Mischungen wasserstoffbasierter Brennstoffe (Wasserstoff und Ammoniak), einschließlich Schadstoffbildung
  • Modellvalidierung für Labor- und Systemskalenkonfigurationen
  • Entwicklung hierarchischer Simulationsmethoden für turbulente Verbrennung wasserstoffhaltiger Brennstoffe
  • Simulative und experimentelle Materialentwicklung für die AM-Herstellung von verbrennungsrelevanten Komponenten (Mischung, Verbrennung, Analyse)
  • Hierarchische Designoptimierung brennstoffflexibler Brenner, hergestellt durch AM, basierend auf simulierten und experimentellen Untersuchungen des Flammenverhaltens
  • Demonstration neuer Brennerkonzepte im Labormaßstab durch AM

Langfristige Ziele (Vision)

  • Automatische Optimierung für die industrielle Umsetzung für verschiedene Einheiten mit Brennstoffflexibilität von bis zu 100 % Wasserstoff oder Wasserstoff/Ammoniakgemische
  • Computerunterstützte Hochskalierung von Energieumwandlungsanlagen für die Energiewende (Automatisiert) Design und Herstellung hochtemperaturbeständiger Brenner unter Verwendung von AM unter Verwendung von Multi-Material-Prozessen und neuen Konzepten zur Temperaturregelung hochtemperaturbeständiger Materialien (z. B. nickelbasierte Superlegierungen, refraktäre Metalle)
  • Aufbau von 3D-gedruckten Brennerkonzepten im Labormaßstab sowie Automatisierung und Weiterentwicklung sensorintegrierter Messtechnik und Produktion von Multi-Material-Komponenten

Begrenzung wissenschaftlicher Fragen im Hinblick auf die Dauer eines Fokussierungsprogramms

Die zentralen Forschungsbedürfnisse für die thermochemische Energieumwandlung wasserstoffhaltiger Brennstoffe ergeben sich in den Bereichen Stabilität/Sicherheit und Emissionen/Effizienz. Die wissenschaftlichen Fragen umfassen Phänomene, die sowohl auf Laborebene als auch auf Systemebene der Verbrennung gleichermaßen auftreten und berücksichtigt werden müssen. Additive Fertigung (AM) unterstützt auf jeder Ebene durch innovative Fertigungsmöglichkeiten.
Nachfolgend sind einige relevante wissenschaftliche Fragen und die zugehörigen Forschungsfelder (RF) aufgeführt, wobei die Bereiche AM, Systemebene und Laborebene der Verbrennung farblich hervorgehoben sind. Wenn nicht ausdrücklich erwähnt, umfassen alle wissenschaftlichen Fragen die Themen Prozessoptimierung und Brennstoffflexibilität und erfordern Untersuchungen zu Mischungen von Wasserstoff, Ammoniak und/oder Kohlenwasserstoffen. Eine intrinsische Kopplung aller Verbrennungslabor- und Systemebenen mit AM wird im SPP2419 HyCAM angestrebt. Zahlreiche wissenschaftliche Fragen, die für praktische Anwendungen relevant sind, können von der Verbrennungssystemebene auf die zugrunde liegende Laborebene abstrahiert und eingehender untersucht werden. Die speziellen Anforderungen für die Herstellung maßgeschneiderter Komponenten, die durch konventionelle Herstellungsprozesse begrenzt sind, können an AM weitergegeben werden, das dann optimierte Lösungen auf sowohl Labor- als auch Systemebene bieten kann. Erkenntnisse auf Laborebene können genutzt werden, um das Zusammenspiel verschiedener Phänomene zu verstehen und anschließend technologische Innovationen auf Systemebene umzusetzen.
RF1: Zünd- und Auslöschprozesse, laminare Brenngeschwindigkeiten und Flammendaten
Wasserstoffhaltige Gemische sind leicht entzündbar und haben hohe Brenngeschwindigkeiten, was die Vorzündung fördert, aber die Flammenstabilität und das Abblasen erheblich beeinflusst. Die genaue Messung dieser grundlegenden Flammengrößen ist für die Gestaltung zahlreicher Systeme von großer Bedeutung. Messungen der Zündverzögerungszeiten, der minimalen Zündenergie, der laminaren Brenngeschwindigkeit und der Verteilung chemischer Komponenten in Flammen (innere Flammenstruktur) dienen der Validierung chemischer Reaktionsmechanismen in RF2 und werden auch als Parameter zur Modellierung komplexerer Systeme in RF5 und RF6 sowie für topologisch optimierte Designs und Materialien in RF7 verwendet. Darüber hinaus sollte die Entwicklung neuer diagnostischer Techniken oder Sensoren hier vorangetrieben werden. Zum Beispiel ist die Messung von langsamen Brenngeschwindigkeiten und kritischen Dehnungsraten von Ammoniakflammen zur Bewertung des Risikos von Flammenabblasungen und lokaler Auslöschung herausfordernd, da etablierte Methoden aufgrund von Strahlungseffekten und Auftriebseffekten nicht angewendet werden können. Auch die Flammenerkennung erfordert neue Entwicklungen, da Wasserstoffflammen sehr geringe Flammenleuchtkraft haben und kaum Ionen erzeugen. Um die Diagnostik weiterzuentwickeln, trägt AM individuell angepasste, maßgeschneiderte Komponenten bei, die beispielsweise die Untersuchung von Flammen in situ durch Brenner mit integrierten Sensoren oder Gassammelkanälen aus RF9 ermöglichen oder die Bestimmung von chemischen Zusammensetzungen an verschiedenen Punkten des Brenners ermöglichen.
RF2: Reaktionsmechanismen unter Berücksichtigung der Schadstoffbildung
Geeignete Reaktionsmechanismen für Wasserstoff-/Ammoniak-/Kohlenwasserstoffgemische sind für die Analyse und Modellierung aller Verbrennungsprozesse erforderlich. Dazu gehören auch Untersuchungen zu den Transportdaten von wasserstoffhaltigen Brennstoffen, die eine wichtige Rolle bei vielen makroskopischen Phänomenen spielen und bisher nicht ausreichend quantifiziert wurden. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Reaktionskinetik der Ammoniakverbrennung und der Schadstoffbildung, insbesondere der Stickoxidbildung. Reaktionsraten einzelner wichtiger Reaktionen werden mithilfe quantenchemischer Simulationen oder gezielter Experimente bestimmt. Durch die Integration von RF7, RF8 und RF9 werden die experimentellen Einrichtungen unter Verwendung von AM verbessert, wodurch Unsicherheiten reduziert werden. Die Reaktionsmechanismen werden mit den Daten aus RF1 validiert und dienen auch als Eingabe für die Modellierung der gemessenen Größen. Reduzierte Reaktionsmechanismen mit ausreichender Genauigkeit sollten für den Einsatz in den anderen RFs bereitgestellt werden. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Reaktionsmechanismen für Bedingungen bei erhöhtem Druck.
RF3: Flammeninstabilitäten, Instabilitäts-/Turbulenzinteraktion
RF3 zielt darauf ab, die Mechanismen von intrinsischen Instabilitäten zu untersuchen, die bei wasserstoffhaltigen Brennstoffen in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung (Brennstoffflexibilität) unter erhöhtem Druck und in Wechselwirkung mit turbulenten Strömungen stark ausgeprägt sind. Letztere Aspekte beschreiben typische Bedingungen in Gasturbinen oder Industriebrennern, deren Einfluss auf Instabilitäten noch nicht verstanden ist. Ein Teil von RF3 besteht darin, vorhersagende Simulationsmodelle, dimensionslose Stabilitätskarten und Entwurfsregeln für RF4, RF5 und RF6 zu entwickeln und zu validieren. Hier können die Sensoren aus RF9 in Experimenten auf Laborebene integriert werden, um relevante Daten für Untersuchungen und Validierung von Simulationen zu erhalten. Die hier gewonnenen grundlegenden physikalischen Erkenntnisse können für den inversen Brennerentwurf in RF7 verwendet werden.
RF4: Instabilitäts-/Turbulenzinteraktion hinsichtlich der Schadstoffbildung in turbulenten Flammen
RF4 zielt darauf ab, zuverlässige Vorhersagemodelle für Großwirbelströmungen basierend auf validierten experimentellen Daten zur Vorhersage von Schadstoffen und Methoden zur Schadstoffreduzierung zu entwickeln. Die Bildung von Schadstoffen wie NOx und CO wird maßgeblich durch die Wechselwirkung relevanter chemischer Reaktionen mit dem lokalen Strömungsfeld bestimmt, insbesondere durch die Bildung von Heißpunkten aufgrund intrinsischer Flammeninstabilitäten, was zu einer erhöhten NOx-Bildung führt. Da die Kopplung von Schadstoffbildungsreaktionen mit intrinsischen Flammeninstabilitäten und turbulenten Strömungen äußerst komplex und noch nicht ausreichend erforscht ist, sollen diese Zusammenhänge in enger Zusammenarbeit mit RF3 untersucht werden. Die hier entwickelten Vorhersagemodelle werden für den Entwurf und die topologische Optimierung in RF7 verwendet.
RF5: Prozesssteuerung unter Berücksichtigung sicherheitsrelevanter Aspekte
RF5 zielt darauf ab, neue Methoden und Erkenntnisse zu entwickeln, um Phänomene wie Flammenrückschlag, Flammenabblasung und Vorzündung frühzeitig zu verhindern oder zu erkennen, um die sichere Verwendung wasserstoffhaltiger Brennstoffe mit unterschiedlichem Wasserstoffgehalt (Brennstoffflexibilität) zu gewährleisten. Erkenntnisse aus RF1 und RF2 sind für die wissensbasierte Entwicklung solcher Methoden erforderlich. Darüber hinaus sollten Verbesserungen bei der Diagnostik aus RF1 und integrierten Sensoren aus RF9 adressiert werden. Innerhalb von RF5 sollten Konzepte für AM-kompatible Brennerdesigns zur Unterdrückung der genannten unerwünschten Phänomene unter Verwendung der fertigungsspezifischen Gestaltungsfreiheiten in Zusammenarbeit mit RF7 ebenfalls entwickelt werden. Durch gezielte Modifikation der Oberflächenstruktur durch die Einführung von Mikrostrukturen kann beispielsweise ein Flammenrückschlag verhindert und das Strömungsverhalten des Brennstoffgemischs beeinflusst werden. Das Forschungsfeld der Thermoakustikinstabilitäten, das auch für Gasturbinen eine hohe Sicherheitsrelevanz hat, soll aufgrund der zahlreichen anderen Fragen in diesem SPP nicht behandelt werden.
RF6: Prozesssteuerung unter Berücksichtigung der Schadstoffbildung und Effizienzsteigerung
Stöchiometrische Wasserstoffflammen haben eine höhere adiabatische Flammentemperatur als stöchiometrische Erdgasflammen, was zu einer signifikanten Zunahme der Stickoxidemissionen führt. Darüber hinaus ist die Bildung von CO-Emissionen für Gemische mit Kohlenwasserstoffen noch nicht ausreichend verstanden. Daher sollen in RF6 die Grundlagen für geeignete Verbrennungskonzepte zur Schadstoffreduktion festgelegt werden. Dazu gehören verschiedene Verbrennungsprozesse wie vorgemischt, teilweise vorgemischt, nicht vorgemischt oder gestuft, magerbrennende Konzepte, die Entwicklung und Anpassung von Brenner- und Brennkammergeometrien sowie die Einführung von Kühlkanälen. Insbesondere sollen Schadstoffbildung bei erhöhtem Druck, wie sie für Gasturbinen typisch ist, ebenfalls untersucht werden. Darüber hinaus soll die Verbrennungseffizienz wasserstoffhaltiger Brennstoffe (Ausbrand) analysiert werden, um molekularen Wasserstoff und Ammoniak im Abgas zu vermeiden. Aufgrund der hohen Komplexität und der großen Anzahl von Einflussparametern und um gleichzeitig stabile, sichere und emissionsarme Verbrennungsprozesse zu gewährleisten, erfordert die Analyse und Modellierung auf Systemebene Beiträge aus allen anderen RFs.
RF7: Topologische Optimierung und inverser Brennerentwurf
Ziel von RF7 ist es, topologisch optimierte Brennerkonfigurationen und -entwürfe für einen optimierten Betriebszustand unter Berücksichtigung kombinierter reaktiver Strömungs- und Wärmeübertragungsprobleme zu erforschen, um die Entwicklung neuer flexibler Verbrennungssysteme für Wasserstoff und Ammoniak zu ermöglichen. Die Modellierung sollte hier invers erfolgen, d.h. automatisiert auf der Grundlage validierter numerischer Modelle aus RF4, RF5 und RF6, um anschließend algorithmusbasierte inverse Simulationsmethoden zur Erstellung von Brennerdesigns zu generieren. Insbesondere die komplexen Wechselwirkungen von turbulenten Strömungen und chemischer Reaktionskinetik sowie die Instabilitätseffekte aus RF3 müssen in vereinfachten Modellen berücksichtigt werden, die für die inverse Modellierung geeignet sind. Eine besondere Bedeutung kommt der rauen Oberfläche von AM-Komponenten zu, die einen Einfluss auf die Strömungsdynamik hat. Darüber hinaus können die in RF1 generierten Daten auch direkt zur Gestaltung neuer Verbrennungskonzepte verwendet werden. RF7 interagiert auch mit RF8 für hochtemperaturbeständige Materialien und Beschichtungsanforderungen sowie mit RF9 für die Sensorintegration.
RF8: Hochtemperaturbeständige Materialien und Beschichtungsanforderungen
Ziel von RF8 ist es, neue Konzepte zu entwickeln, die die Verarbeitung hochtemperaturbeständiger Materialien ermöglichen. Ideen in der Testphase, wie z.B. Vorheizen mit flachen Infrarotstrahlern (z.B. VCSEL) oder mit Hilfe eines (zusätzlichen) Laserstrahls zur Reduzierung des Temperaturgradienten und damit zur Verhinderung von Rissbildung, sollen untersucht werden. Darüber hinaus sollten Simulationen der Erstarrungsbedingungen und der Wärmebilanzen eine Abschätzung von Spannungen und Bauteilverzug ermöglichen, um sie auszugleichen oder durch geeigneten Einsatz von Vorheizkonzepten zu vermeiden. Wärmebarrierebeschichtungen (TBC) können während der Herstellung von Komponenten direkt mit AM über graduierte Strukturen aufgebracht werden, um die Brenner vor den hohen Temperaturen der Brennkammer zu schützen. Die Verarbeitung von TBCs und die kohärente Verbindung in additiven Mehrmaterialprozessen erfordern weitere Entwicklungen, insbesondere in den gewünschten komplexen Geometrien in RF6 und RF7. In diesem RF besteht auch die Möglichkeit, auf SPP2122 “Materialien für AM” aufzubauen, um die Materialentwicklung für Hochtemperaturanwendungen voranzutreiben.
RF9: Messtechnik mit Sensorintegration
Ziel von RF9 ist es, verschiedene Entwicklungen bei der Sensorintegration voranzutreiben, um eine erfolgreiche Integration (in RF7) und später Funktionalität der Sensoren sicherzustellen. Diese dienen nicht nur zur besseren experimentellen Untersuchung von Brennern und Flammendynamik in RF1, RF3 und RF5, sondern ermöglichen auch die Echtzeitüberwachung des Brenners im Betrieb und die adaptive Prozesssteuerung, z.B. in RF6. Neben der Integration bestehender Sensortechnologie sollten insbesondere Multimaterialsysteme verwendet werden, die verschiedene Herstellungstechniken kombinieren, wie z.B. die Integration von keramischen Sensoren direkt in AM-Komponenten. Durch die Integration von RF9 mit RF7 können die Daten auch für eine verbesserte invers-basierte Brennermodellierung verwendet werden. Darüber hinaus ermöglichen die Sensoren aus RF9 auch die Optimierung des additiven Herstellungsprozesses, indem sie Rückmeldungen in Echtzeit liefern und so eine verbesserte Fertigung und Überwachung ermöglichen.
Die übergreifende Vision des SPP2419 HyCAM besteht darin, den Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Energiewirtschaft auf Basis von wasserstoffhaltigen Brennstoffen durch die Transformation thermochemischer Energieumwandlungsprozesse mithilfe innovativer Lösungen aus der additiven Fertigung (AM) zu beschleunigen. Die zentralen Herausforderungen für dieses Unterfangen liegen darin, brennstoffflexible Brenner und Prozesssteuerungen zu realisieren und dabei Flammenstabilität, Schadstoffreduktion und Effizienzsteigerung zu berücksichtigen. Um eine umfassende Untersuchung der zentralen Forschungsbedürfnisse sicherzustellen, wurde die Struktur des Fokussierungsprogramms entsprechend ausgerichtet. Darüber hinaus adressiert die Struktur des Fokussierungsprogramms die intrinsische Multiskalen-, Multiphysik- und multidisziplinäre Natur thermochemischer Energieumwandlungsprozesse, da eine ganzheitliche Erkundung der zentralen Problemfelder nur durch die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen realisiert werden kann. Darüber hinaus wird AM hier als verbindendes Element genutzt, wie in Abbildung 3 dargestellt, ohne das die geplante Struktur nicht funktionieren wird. Die Definition relevanter ingenieurwissenschaftlicher Fragen auf Systemebene soll Fragen auf Laborebene generieren. Mit Hilfe von AM können dann innovative, problemorientierte Lösungen für die Prozessoptimierung und die Brennstoffflexibilität erreicht werden.
Das SPP2419 HyCAM zielt darauf ab, verschiedene Disziplinen zusammenzubringen, daher besteht eine klare Präferenz dafür, vorrangig kooperative Vorschläge in das Schwerpunktprogramm aufzunehmen, bei denen sich ergänzende Expertise direkt verbindet. Um den erforderlichen interdisziplinären Ansatz zu unterstützen, sollte ein Projekt typischerweise aus einem experimentellen und einem theoretischen/simulations-/modellierungsbasierten Teilprojekt aus dem Bereich Verbrennung sowie einem AM-Teilprojekt bestehen.