Alternative Brennstoffe



Koordinator: Dr. P. Le Clercq

Alternative Brennstoffe haben sich in den letzten Jahren zu einem zentralen Thema in der Energieversorgung und Mobilität entwickelt und sind heute aktueller als je zuvor. In Deutschland ist das Thema aufs Engste verknüpft mit der beschlossenen Energiewende; bis 2050 sollen unter anderem mindestens 60 Prozent des Bruttoendenergieverbrauchs und 80 Prozent des Stromverbrauchs mit erneuerbare Energien abgedeckt werden. Alternativen Brennstoffen kommt dabei in mehrfacher Hinsicht eine große Bedeutung zu: Als Kraftstoff in der motorischen Verbrennung und in Flugtriebwerken, als Brennstoff für dezentrale Kraftwerke und als Speichermedium für fluktuierend anfallende Energie aus Wind- und Solaranlagen. Wie die die Ausgangsstoffe und Herstellungsverfahren sind auch die Brennstoffe vielfältig, z.B. Bio-Alkohole, Wasserstoff, Brennstoffe aus Vergasungs- oder Fermentierungsprozessen oder Fischer-Tropsch-Produkte. Entsprechend der stark variierenden Zusammensetzung sind die Verbrennungseigenschaften sehr unterschiedlich, so dass neue oder angepasste Verbrennungskonzepte erarbeitet werden müssen. Brennstoffflexibilität ist dabei eine der wichtigsten Anforderungen an zukünftige Kraftwerke und Antriebssysteme.

Im DLR-Institut für Verbrennungstechnik werden Forschungsarbeiten zur Entwicklung von Technologien für die Erzeugung und Nutzung der Brennstoffe zur Strom- und Wärmeerzeugung und für Antriebe durchgeführt. Aspekte der Effizienz und Zuverlässigkeit stehen dabei ebenso im Vordergrund wie Klima- und Umweltverträglichkeit. In Kooperation mit dem DLR-Institut für Technische Thermodynamik ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt die Analyse der Verfügbarkeit und des Nutzungspotenzials alternativer Brennstoffe.

Treibstoffe in der Luftfahrt müssen strenge Richtlinien für die Spezifikationen einhalten, die mit einem festgelegten Zulassungsverfahren für die Qualifizierung neuer Treibstoffe verbunden sind. Dieser Prozess ist recht aufwändig. Deshalb entwickeln wir Verfahren zur Vorauswahl potenzieller alternativer Treibstoffe. Damit erhalten Hersteller und Nutzer bereits vor einem aufwändigen Zulassungsverfahren Informationen über wichtige Verbrennungseigenschaften und somit eine Einschätzung der Eignung eines neuen Treibstoffs.

Eine zunehmende Rolle spielt dabei das „Design“ alternativer Brennstoffe, d.h. die Optimierung der Zusammensetzung im Hinblick auf physikalische und chemische Eigenschaften wie spezifische Energiedichte, Verbrennungseigenschaften, Umweltverträglichkeit sowie Aspekte der Herstellung und Lagerung. Im Hinblick auf die Verbrennungseigenschaften in Flugtriebwerken oder stationären Gasturbinen stehen dabei die Erreichung großer Flammenstabilität und geringer Schadstoffemissionen im Vordergrund der Untersuchung. Da die Brennstoffzusammensetzung einen entscheidenden Einfluss auf alle Verbrennungseigenschaften hat, lässt sich angesichts der großen Vielfalt potenzieller Brennstoffe eine Optimierung nicht mit empirischen Verfahren erreichen, sondern nur durch Methoden, die auf einem tiefgehenden Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Wirkketten beruhen.

Ein Ziel der Arbeiten des Instituts ist es deshalb, Werkzeuge für die Optimierung und Charakterisierung der Verbrennungseigenschaften alternativer Brennstoffe zu entwickeln. Diese Werkzeuge beruhen auf der chemisch-kinetischen Modellierung, der numerischen Simulation des Verbrennungsprozesses und experimentellen Untersuchungen mit angepassten Lasermesstechniken. Darüber hinaus ist ein weiteres Ziel, Gasturbinenbrennkammern für dezentrale Blockheizkraftwerke zu entwickeln, die für eine große Zahl von unterschiedlichen alternativen Brennstoffen eine effiziente, saubere und zuverlässige Energiewandlung ermöglichen.

Die wichtigsten Themen, die dazu bei uns bearbeitet werden, sind:

  • Chemische Analyse alternativer Brennstoffe und deren Schadstoffemissionen aus Verbrennungsprozessen.
  • Entwicklung numerischer Simulationsverfahren und Lasermesstechniken für Verbrennungsverfahren mit alternativen Brennstoffen.
  • Entwicklung detaillierter chemisch-kinetischer Reaktionsmechanismen für alternative Brennstoffe und deren Reduktion, um vorhersagefähige CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) zu ermöglichen.
  • Validierungsmessungen für chemisch-kinetische Mechanismen und für Simulationsrechnungen gasturbinenspezifischer Modellbrennkammern.
  • Entwicklung chemisch-kinetischer, numerischer und diagnostischer Verfahren für Vergasungsprozesse.
  • Experimentelle und numerische Arbeiten zur Entwicklung brennstoffflexibler Brenner.
  • Vorauswahl alternativer Brennstoffe.
  • Nutzung alternativer Brennstoffe in Kleingasturbinen zur dezentralen Energieversorgung.
 Vergleich der Intensität der Rußstrahlung aus einer Sprayflamme für herkömmliches Kerosin und synthetischen Treibstoff (Gas-to-Liquid Treibstoff, GtL). Aufgrund geringerer Aromatenanteile im Treibstoff rußt GtL weniger.
zum Bild Vergleich der Intensität der Rußstrahlung aus einer Sprayflamme für herkömmliches Kerosin und synthetischen Treibstoff (Gas-to-Liquid Treibstoff, GtL). Aufgrund geringerer Aromatenanteile im Treibstoff rußt GtL weniger.

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