Methodenentwicklung für Vergasungsprozesse



Koordinator: Dr. Peter Kutne

Die Nutzung von Biomasse in der dezentralen und zentralen Stromerzeugung, sowie in der Herstellung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen stellt einen wichtigen Baustein in der Nutzung erneuerbarer Energiequellen dar. Insbesondere bei der Stromerzeugung ist die witterungsunabhängige Verfügbarkeit eine wichtige Ergänzung zur Nutzung von Wind- und Sonnenenergie. Der erste Schritt zur Nutzung von Biomasse für die Synthese von Brennstoffen, sowie bei der Nutzung von Biomasse in hocheffizienten Gasturbinenprozessen ist die Biomassevergasung. Dabei wird Biomasse in Vergasungsreaktoren bei hohen Temperaturen und unter Sauerstoffmangel umgesetzt. Die dabei ablaufenden komplexen chemischen und physikalischen Prozesse sind bisher nur unvollständig verstanden, und die Entwicklung von Berechnungsverfahren und Messtechniken für deren Untersuchung ist noch nicht weit fortgeschritten.

Um Vergasungsverfahren zu optimieren und neue Verfahren entwickeln zu können, ist es wichtig, die grundlegenden Prozesse zu verstehen. Dazu werden bei uns an Versuchsanlagen verschiedene Teilschritte des Vergasungsprozesses untersucht und auf der Basis dieser Experimente numerische Modelle entwickelt, die die Prozesse beschreiben können. Ziel ist es, den gesamten Vergasungsprozess mit Hilfe detaillierter numerischer Simulationsverfahren abbilden zu können und die entwickelten Simulationswerkzeuge dann für die Optimierung von Vergasungsprozessen und die Auslegung von Reaktoren einzusetzen. Die Simulationstechniken basieren auf Large Eddy Simulation (LES) teilweise in Kombination mit RANS-Verfahren (Reynolds Averaged Navier Stokes). Ein wichtiger Aspekt ist dabei auch die Implementierung von chemischen Reaktionsmechanismen, die dafür im Institut entwickelt werden.

Um die Qualität der Simulationswerkzeuge zu überprüfen und zu verbessern, werden bei uns verschiedene optische und laserbasierte Messverfahren entwickelt und für den Einsatz an technischen Vergasungsanlagen angepasst. Dabei ist die Entwicklung von optischen Sonden ein zentrales Arbeitsthema. Mit diesen Messtechniken schaffen wir die Möglichkeit, wichtige Prozessgrößen wie zum Beispiel Spezieskonzentrationen, Temperaturen und Konzentrationen von Reaktionszwischenprodukten zu messen. Die Messergebnisse  geben einen Einblick in die Abläufe im Inneren des Vergasers, die bisher weitgehend im Dunkeln lagen.

Die Arbeiten auf diesem Gebiet werden in enger Kooperation mit dem Engler-Bunte-Institut, Bereich Chemische Energieträger – Brennstofftechnologie, des Karlsruher Instituts für Technologie durchgeführt. Gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie, dem Forschungszentrum Jülich und weiteren universitären Partnern aus Deutschland und Europa bilden wir das „Helmholtz Virtual Institute for Gasification Technology“ (HVIGasTech), welches sich mit dem grundlegenden Verständnis und der numerischen Abbildung von thermo-chemischen Umwandlungsprozessen bei hohen Drücken und hohen Temperaturen beschäftigt.

 Spitze einer Sonde zum Einsatz optischer Messtechnik nach mehreren Betriebsstunden im Vergasungsreaktor.
zum Bild Spitze einer Sonde zum Einsatz optischer Messtechnik nach mehreren Betriebsstunden im Vergasungsreaktor.

 


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