Entwicklung eines additiv gefertigten Forschungsbrenners zur Steigerung der Energieeffizienz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Günter Brenn; Professorin Dr. Eva Gutheil; Professor Dr. Jan T. Sehrt
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523837500

Angesichts der globalen Erwärmung sind kohlenstofffreie Energiequellen von größter Bedeutung für die Reduzierung von CO2-Emissionen in die Atmosphäre. Alternativen zu kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie z.B. Alkoholen, sind Ammoniak (NH3) und/oder Wasserstoff (H2), die kohlenstofffrei sind. Eine Kombination dieser gasförmigen Brennstoffe oder die Zugabe dieser Stoffe zu konventionellen oder synthetischen, zerstäubten flüssigen Brennstoffen kann daher zu einer großen Verbesserung der kohlenstoffreduzierten oder sogar kohlenstofffreien Energiequellen führen. Die sehr komplexe kombinierte Verbrennung dieser Brennstoffe ist der Hintergrund für diese Untersuchungen. In diesem Zusammenhang wird ein hochtemperatur- und korrosionsbeständiger, additiv gefertigter und intelligenter Brenner entwickelt, um die Energieeffizienz zu erhöhen und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Die Additive Fertigung [engl. Additive Manufacturing (AM)] ermöglicht die Herstellung einzigartiger Bauteile mit einem hohen Grad an Gestaltungsfreiheit und der Möglichkeit, komplexe (Innen-) Geometrien zu realisieren. Dabei werden die Vorteile von AM durch integrierte funktionale Designs wie gebogene Medienzuführungskanäle, offenporige Strukturen und die direkte Herstellung von Baugruppen mit integrierter Sensorik ideal genutzt. Das ausgewählte Material ist eine Nickelbasislegierung (MAR-M247), ein bewährtes Material für hochtemperaturrelevante Anwendungen. Aus verbrennungstechnischer Sicht konzentriert sich das vorliegende Projekt auf die Zugabe von Ammoniak und/oder Wasserstoff zu flüssigen Bioalkoholen wie Methanol, Ethanol oder n-Butanol, um die CO2-Emissionen zu reduzieren. Dabei können die kohlenstofffreien Brennstoffe als Gase oder Flüssigkeiten (bei reduzierten Temperaturen) eingespritzt oder im flüssigen Brennstoff in dem additiv gefertigten Brenner gelöst werden. Die letztgenannte Methode erfordert eine gründliche Kenntnis der Löslichkeit von Wasserstoff und Ammoniak in Biokraftstoffen und ihrer Zerstäubungs- und Verdampfungseigenschaften in der Flüssigkeit. Der projektierte Brenner ist äußerst flexibel und erlaubt eine Vormischung der gasförmigen Brennstoffe untereinander sowie des Ammoniaks mit dem Oxidationsmittel, sodass unterschiedliche Verbrennungs-Charakeristika wie vorgemischte, teilweise vorgemischte und nicht-vorgemischte Verbrennung koexistieren, was eine äußerst große Flexibilität der Brennstoffe sowie Ihrer Zugabe ermöglicht. Ein variabler Ring zur Zugabe des Ammoniaks direkt in die Verbrennungszone erlaubt eine Reduzierung der schlechten Verbrennungseigenschaften des Ammoniaks in Bezug auf seine Zündeigenschaften und seine Flammengeschwindigkeit. Die Kombination aus Modellierung, Simulationen und Experimenten zu den Prozessen in der Nähe des Injektors sowie Beiträge der additiv gefertigten Brennertechnologie sorgen für einen ausgezeichneten Wissensgewinn bei der Reduzierung der globalen Erwärmung in einem idealerweise kohlenstofffreien Energiesektor.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2419: Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren
• Internationaler Bezug: Österreich