Nicht-vorgemischte Ammoniakverbrennung in maßgeschneiderten keramischen inerten porösen Medien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christos G. Aneziris; Dr.-Ing. Nora Brachhold; Professor Dr. Oliver T. Stein; Professor Dr.-Ing. Dimosthenis Trimis
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523876164

Das eingereichte Projekt befasst sich mit dem thermochemischen Energieumwandlungsprozess des kohlenstofffreien chemischen Energieträgers Ammoniak und von Ammoniak-Wasserstoff-Gemischen. Ammoniak wird als einer der zukünftigen Energie- und Wasserstoffträger angesehen, insbesondere im Hinblick auf den Ferntransport, da seine thermischen Eigenschaften denen von Propan ähneln und es leicht für die Lagerung und den Transport im etablierten Transportnetz eingesetzt werden kann. Die Verbrennung von Ammoniak ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Die drei größten Herausforderungen sind die im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen niedrige Flammengeschwindigkeit, was zu einer geringen Flammenstabilität führt, die extrem hohe Stickoxidbildung und die hohe Toxizität selbst in Spurenkonzentrationen. Herkömmliche Ansätze zur Bewältigung dieser Herausforderungen sind die Zugabe hochreaktiver Brennstoffe wie Wasserstoff oder Methan, um das Problem der Flammenstabilität zu lösen, die Umsetzung in gestuften brennstoffreichen/armen Prozessen, um der hohen NOx-Bildung entgegenzuwirken, und Nachbehandlung zur Vermeidung von unverbrannten Ammoniakemissionen. Wir schlagen daher ein neuartiges Konzept vor, das alle Herausforderungen auf einmal durch die nicht-vorgemischte Verbrennung von Ammoniak in porösen inerten Medien (PIM) löst. Die Verbrennung in PIM kann die Flammengeschwindigkeit im Vergleich zur Verbrennung ohne PIM aufgrund der Wärmerückführung durch die Feststoffphase um mehr als eine Größenordnung erhöhen. Die Wärmerückführung in Verbindung mit der thermischen Trägheit der Feststoffphase löst das Problem der Flammenstabilität. Die nicht-vorgemischte Prozessführung führt zunächst zu hohen Temperaturen der brennstoffreichen oder reinen Brennstoffströme, wodurch Ammoniak ohne signifikante NOx-Bildung umgesetzt werden kann, während die gute Durchmischung und die Temperaturhomogenisierung durch die Strömung im PIM zu einem vollständigen Ausbrand des verbleibenden Ammoniaks in einer Nachverbrennungszone führen. Um ein derartiges Konzept zu verwirklichen, sind speziell gefertigte hochtemperaturbeständige Werkstoffe erforderlich, sowohl bezogen auf die Geometrie, als auch auf die thermischen Eigenschaften. Die additive Fertigung (ADM) von PIM-Strukturen aus keramischen Verbundwerkstoffen ist erforderlich, um den Prozess durch lokal angepasste Eigenschaften in Bezug auf Wärmeleitung, Strahlungseigenschaften und Dispersion/Strömungsfeld zu kontrollieren. Die Grundlagenforschung und Auslegung des nicht vorgemischten PIM-Brenners für Ammoniak und Ammoniak-Wasserstoff-Gemische erfordert ein starkes interdisziplinäres Forschungsteam zur Durchführung detaillierter Experimente der Verbrennung in PIM (EXP, KIT), detaillierter porenaufgelöster numerischer Simulationen (SIM, KIT), sowie die Nutzung von additiven Fertigungsmethoden für thermoschock- und korrosionsbeständige Funktionsbauteile (ADM, TU BAF).

• 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
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Björn Stelzner; Dr.-Ing. Thorsten Zirwes