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Design von Modellbrennstoffen für technisch relevante Treib- und Kraftstoffe

Technische Brennstoffe wie Erdgas, Kerosin, Benzin oder Diesel bestehen aus vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Das Erstellen eines Modellbrennstoffs für technische Brennstoffe (Modellbrennstoffdesign) bedeutet,  geeignete Komponenten sowie deren Mischungsanteile so zu bestimmen, dass sie repräsentativ für den realen Kraftstoff sind: Der entwickelte Modellbrennstoff muss die physikalischen und chemischen Eigenschaften des technischen Brennstoffes haben. Die Erstellung eines Modellbrennstoffes ist ein iterativer Prozess, der aus 2 globalen Schritten besteht (Abb.1).

Abb. 1: Iterativer Prozess zur Entwicklung eines Modellbrennstoffes

I. Schritt

Bei der Zusammenstellung eines Modellbrennstoffs ist darauf zu achten, dass aus jeder der drei Hauptgruppen (Paraffine, Aromaten und Cyclo-Paraffine) Spezies in entsprechendem Umfang in den Modellbrennstoff integriert werden. Anschließend erfolgt die Modellierung der physikalischen Eigenschaften des Erzatzbrennstoffes im Hinblick auf Bildungsenthalpie, Verbrennungsenthalpie, Destillationskurve, 2-Phasendiagramm, kritische Temperatur und Druck.
Die Destillationskurve, das 2-Phasendiagramm und die kritischen Parameter werden mit einem eigens entwickelten numerischen Code berechnet (Abb. 2, 3).

Abb. 2: Destillationskurve

Abb. 3: Zwei-Phasendiagramm für eine 9 - Spezies Mischung

Nach der Modellierung der physikalischen Eigenschaften werden die gewonnen Ergebnisse mit experimentellen Werten der realen Brennstoffe wie z.B. von Kerosin, Benzin oder Diesel verglichen. Die Zusammensetzung eines derart optimierten Modellbrennstoffes für Kerosin ist in Tab. 1 dargestellt. Das Zweiphasengleichgewicht dieser Ersatzbrennstoffmischung ist in Abb. 4 zu sehen.

Zusammensetzung des optimierten Modellbrennstoffs

11%	Propylcyclohexan C9H18
14%	iso-Oktan i-C8H18
22%	Dodecan C12H26
28%	1-Methylnaphtalin C11H10
24%	Hexadekan C16H34

Eigenschaften des Modellbrennstoffes

Approximative Formel	C11H19
Verbrennungsenthalpie Δ Hc	45 MJ/kg
Bildungsenthalpie Δ Hf	-160 kJ/mol
Molargewicht	145 g/mol
Rußneigung (TSI)	27

II. Schritt

Abb. 4: Zwei-Phasendiagramm für Modellbrennstoff

Modellierung der chemischen Eigenschaften des Modellbrennstoffs mit einem Reaktionsmodell im Hinblick auf chemische Zusammensetzung (C/H-Verhältnis), Konzentrationsprofile, Flammengeschwindigkeiten, Zündverzugszeiten, Rußbildungsneigung (TSI Faktor) und Schadstoffsbildung.
Vor der Verifizierung der chemischen Eigenschaften des Surrogats muss ein Reaktionsmodell erstellt werden, das sowohl die chemischen Eigenschaften der individuellen Kohlenwasserstoffe und deren Mischungen (Submodelle A, B, C, ..., Abb. 1) beschreibt. Nach der chemischen Modellierung erfolgt ein weiterer Vergleich mit experimentellen Werten für den technischen Brennstoff. Auf Grund der so gewonnenen Ergebnisse wird die Zusammensetzung überprüft und gegebenenfalls verbessert, im Anschluss wiederholen sich Schritt I und II iterativ bis ein zufriedenstellend genaues Ergebnis erreicht wird.