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Minderung der NOx-Emissionen bei pulsierender Detonationsverbrennung
Einleitung
Für eine stabile und nachhaltige Energieversorgung ist neben dem Ausbau der volatilen, erneuerbaren Energien auch ein komplementärer Betrieb von flexiblen Energiewandlungssystemen notwendig. Ein bedarfsgerechter und umweltverträglicher Betrieb solcher Systeme kann nur durch hohe Lastflexibilität, äußerst schadstoffarme Prozessführung, Nutzung von alternativen chemischen Energieträgern und gleichzeitige signifikante Steigerung der Effizienz realisiert werden. Gasturbinenkraftwerke haben das Potential diese hohen Anforderungen zu erfüllen, jedoch ist eine Effizienzsteigerung bei dem heutigen technischen Konzept der Gasturbinen nur noch geringfügig möglich.
Strategien
Eine Veränderung des Verbrennungskonzeptes in Gasturbinen durch Annäherung an die Konstant-Volumen-Verbrennung, wie z. B. durch eine pulsierende Detonationsverbrennung (PDC, pulse detonation combustion) bietet eine vielversprechende Möglichkeit den Wirkungsgrad von Gasturbinen wesentlich zu erhöhen.
Im Fokus der gegenwärtigen Forschung liegen die Realisierung eines zuverlässigen PDC-Prozesses und seine anspruchsvolle Integration in die Gasturbine. Den Schadstoffemissionen aus solchen Verbrennungssystemen wurde bis dato kaum Aufmerksamkeit geschenkt, wobei die vereinzelten Studien eindeutig zeigen, dass die extremen Verbrennungsbedingungen zu sehr hohen Emissionen von Stickoxiden (NOx) führen können. Daher ist es essentiell, bereits während der Prozessentwicklung die Primärmaßnahmen zur Reduktion dieser Emissionen zu entwickeln, um eine Kommerzialisierung dieser neuen Technologie überhaupt zu ermöglichen.
Ziel
Das Ziel des vorliegenden Vorhabens ist, die NOx-Emissionen der pulsierenden Detonationsverbrennung quantitativ zu bestimmen und erstmalig das Potential unterschiedlicher Maßnahmen zur deren Minderung zu evaluieren. Dabei ist entscheidend, dass eine zuverlässige Detonationsverbrennung trotz solcher Veränderungen in der Prozessführung realisiert werden kann. Die wissenschaftliche Vorgehensweise basiert auf numerischen und experimentellen Untersuchungen und ermöglicht dadurch ein tiefgehendes Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene.
Methode
Das Arbeitsprogramm liefert eine umfassende experimentelle Charakterisierung des mit Wasserstoff befeuerten PDC-Prozesses hinsichtlich NOx-Emissionen und gibt erstmalig einen Einblick in die Möglichkeiten und Beschränkungen der Maßnahmen zur Minderung dieser Emissionen mittels Abgasrezirkulation und Wasserdampfzugabe. Die entsprechenden Versuche werden in einem Detonationsrohr unter Variation von relevanten Prozessparametern (Temperatur, Druck, Gemisch) durchgeführt.
Eindimensionale Simulationen des PDC-Prozesses werden für eine breite Variation der Prozessparameter mit einem Finite-Volumen-Code unter Anwendung detaillierter Reaktionsmechanismen durchgeführt. Dieses anhand von umfangreichen experimentellen Daten validierte Simulationswerkzeug stellt ebenfalls ein wichtiges Ergebnis dar und kann eine Verbesserung des PDC-Prozesses maßgeblich unterstützen.
Allgemein
Dieses Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) seit 2016 gefördert: zum DFG-Projekt