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TU Berlin

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Gleichraumverbrennung

 

Innovatives Verbrennungsverfahren im Energiesektor

Auch wenn in den letzten Jahrzehnten der Wirkungsgrad von Gasturbinen erheblich verbessert wurde, wird eine weitere Steigerung der Effizienz dieser Maschinen zunehmend durch Materialeigenschaften begrenzt. Jedes Jahr werden gewaltige Investitionen getätigt, um Verbesserungen in Bruchteilen von Prozentpunkten zu erreichen. Gleichraumverbrennung ermöglicht einen Entwicklungssprung, der die Grenze der Materialeigenschaften für signifikante Wirkungsgradsteigerungen durchbricht, indem der deutlich effizientere thermodynamische Zyklus der Verbrennung bei konstantem Volumen ausgenutzt wird. Hierdurch können neue Maßstäbe in der Verbrennungstechnik gesetzt werden.

Mit der Gleichraumverbrennung befassen sich zwei Teilprojekte des  Sonderforschungsbereichs 1029. Darin werden die Verfahren pulsierende Detonationsverbrennung (engl. Pulse Detonation Engine - PDE) und stoßfreie Explosionen (engl. Shockless Explosion Combustor - SEC) erforscht. Durch die Steigerung der thermodynamischen Effizienz kann in modernen Gasturbinen eine Reduktion des Brennstoffverbrauchs von über 20% erreicht werden.

Darüber hinaus wird die Verbrennung von Wasserstoff untersucht. Wasserstoff kann aus regenerativen Energien (Wind und Sonne) gewonnen werden und dann bei Zeiten großer Nachfrage verbrannt werden, um die Erzeugung elektrischer Energie ganz ohne Freisetzung von CO2 zu realisieren.

Pulsierende Detonationsverbrennung

Dieses Verfahren nähert Gleichraumverbrennung an, indem die Verbrennung mit Überschallgeschwindigkeiten erfolgt und dadurch das Entweichen des verbrannten Gases während der Verbrennungsprozesses verhindert. Damit führt die gesamte freigesetzte Wärmeenergie zur Temperatur- und Druckerhöhung und nicht zu einer Expansion der Verbrennungsgase. Allerdings erfordert die direkte Entzündung einer Detonation viel Energie. Deshalb ist es üblich, eine normale Flamme zu zünden (das nennt sich Deflagration) und diese danach auf Detonationsgeschwindigkeit zu beschleunigen (etwa 2000 m/s).

Diese Beschleunigung kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Dabei wird entweder durch eine Erhöhung der Turbulenz oder durch Verstärkung des Drucks der Übergang von der Deflagration zur Detonation gefördert. Die beteiligten Bauteile erfahren dabei allerdings extreme thermische Belastungen. Dies führt häufig zu deren Beschädigung oder sogar Versagen.

Die Herausforderung besteht also darin, die Detonationen effizient und zuverlässig zu erzeugen, ohne dabei die Bauelemente zu überlasten.

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