Untersuchung der Struktur von Ammoniak-Flammen
Untersuchung der Flammenstruktur von Ammoniak-Flammen
Hintergrund:
Chemische Energieträger werden aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich der Energiespeicherung auch zukünftig eine zentrale Rolle in der Transformation des globalen Energiesystems spielen. Insbesondere kohlenstofffreie Energieträger wie Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3) erlangen stark wachsendes internationales Interesse. Dabei besitzt Ammoniak im direkten Vergleich zu Wasserstoff deutliche Vorteile hinsichtlich des Transports und der Lagerung, da es bereits bei moderaten Drücken (etwa 10 bar bei 25°C) in der Flüssigphase gespeichert werden kann. Zudem ist Ammoniak eine der meistproduzierten Chemikalien, wodurch bereits heute eine starke Infrastruktur vorhanden ist.
Im Zuge der Dekarbonisierung unseres Energiesystems eignet sich Ammoniak einerseits als Wasserstoffträger, da regenerativ gewonnener Wasserstoff mit Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak synthetisiert werden kann. Anschließend kann der gespeicherte Wasserstoff beim sogenannten „Cracking“ wieder nutzbar gemacht werden. Weiterhin kann Ammoniak aber auch direkt als Brennstoff verwendet werden. Mögliche Anwendungsgebiete sind Gasturbinen für die Stromerzeugung sowie Antriebssysteme für Luft- und Seefahrt. Verglichen mit Methan, dem Hauptbestandteil von natürlichem Erdgas und damit dem Standardbrennstoff für Gasturbinen, besitzt Ammoniak in seiner Reinform deutlich schlechtere Verbrennungseigenschaften. Diese können jedoch durch partielles Cracking des Ammoniaks signifikant verbessert werden. Jüngste Studien zeigen, dass ein Gemisch mit ähnlichen laminaren Flammeneigenschaften (Geschwindigkeit, Dicke und Temperatur) wie Methan (CH4) eine deutlich höhere Verlöschungsgrenze (eine Größenordnung) aufweist, wodurch die Gefahr für einen Flammenabriss reduziert wird.
Ziel:
Das übergeordnete Ziel ist die experimentelle Untersuchung von Ammoniak/ Wasserstoff/ Stickstoff-Flammen laminarer und turbulenter Strömungsapparaturen mit klar definierten Randbedingungen. Hierbei sollen die Temperatur und die Spezieskonzentrationen mithilfe der kombinierten Raman/Rayleigh-Spektroskopie ermittelt werden. Weiterhin wird der Einfluss der Gemischzusammensetzung auf die Verlöschungsgrenzen unter anderem mit der Particle Image Velocimetry (PIV) und der Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) untersucht. Neben dem Kenntniszugewinn aus dem Experiment selbst sind diese Daten die Basis für die Validierung und Optimierung von numerischen Modellen und leisten einen Beitrag bei der Entwicklung von Reaktionsmechanismen. Dies ist ein zentraler Schritt für die zukünftige Anwendung der Modelle in technischen Entwicklungsprozessen. Hier arbeitet das ODEE in enger Kooperation mit dem Department of Energy and Process Engineering (EPT) der NTNU Trondheim (Norwegen) sowie dem Institut für Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) der TU Darmstadt.
Prüfstand/Ausstattung: