Flammenstruktur laminarer Wasserstoff-Bunsenflamme

Laserdiagnostische Untersuchung laminarer Wasserstoff-Bunsenflammen unter Methanbeimischung mittels Particle Image Velocimetry und Planarer Laserinduzierter Fluoreszenz 

Hintergrund:
Um dem anhaltenden Klimawandel entgegenzuwirken und den daraus abgeleiteten politischen Klimazielen gerecht zu werden, stellt die Dekarbonisierung der aktuellen Energiewirtschaft einen unumgänglichen Schritt dar. Um dies zu erreichen ist die langfristige Substitution fossiler Brennstoffe wie Öl, Kohle und Erdgas durch erneuerbare, kohlenstofffreie Energieträger, u.A. Wasserstoff, erforderlich. Gewonnen durch die Elektrolyse von Wasser unter Einsatz regenerativ erzeugter Elektrizität, kann grüner Wasserstoff je nach Bedarf gelagert, weiterverarbeitet oder in Kraftwerken thermisch genutzt werden. Ersetzt man herkömmliche Kohlenwasserstoffverbindungen wie sie in Erdgas vorkommen durch regenerativ erzeugten Wasserstoff, so entstehen bei dessen Oxidation keine gesundheits- und klimaschädlichen Abgase. Stattdessen entstehen Wasser und Wärme, welche anschließend wieder beliebigen Kreisläufen, ob technologisch oder natürlich, zugeführt werden können. Somit kann Wasserstoff als Brenngasersatz für Erdgas zur Reduktion der Feinstaubbelastung in Innenstädten und als Energiespeicher für eine abgesicherte Energieversorgung beitragen, wenn Sonne und Wind nicht abrufbar sind. Neben den Vorteilen, welche Wasserstoff als Ersatzbrenngas mit sich bringt, birgt es auch Herausforderungen. In seiner reinen Form verfügt Wasserstoff gegenüber Erdgas über die zehnfache laminare Brenngeschwindigkeit, ist hoch diffusiv und in fast jedem Mischungsanteil mit einem Oxidator brennbar. Dies erfordert angepasste Sicherheitsvorkehrungen im Einsatz als Energieträger und beeinflusst die grundlegenden Eigenschaften der Verbrennungsprozesse, so dass Anpassungen der bestehenden Infrastruktur erforderlich werden.

Ziel:
Hierfür wird die graduelle Anreicherung einer Erdgasflamme mit Wasserstoff experimentell untersucht (z.B. bis zu 100 % Wasserstoff). Die graduelle Anreicherung bietet eine einfache und vor allem schnell umsetzbare Möglichkeit den Einsatz von Kohlenwasserstoffen zu reduzieren, während bestehende Infrastrukturen genutzt werden können. Die Wasserstoffaddition führt bedingt durch die gesteigerte Reaktivität und Diffusität zu einer Störung der Reaktionsfront, welche sich in charakteristischen Zellstrukturen widerspiegelt. Diese gilt es experimentell zu untersuchen und in einer experimentell-numerischen Analyse zu verstehen. Dabei soll der Fokus auf den hydrodynamischen und thermo-diffusiven Instabilitäten liegen, welche zu komplexen Entmischungsprozessen während der Reaktion führen. Durch die im Wechsel entstehenden konkav und konvex geformten Segmente der Flammenfront bilden sich lokal unterstützend oder reaktionshemmend auswirkende Abschnitte, welche zu einer zellulären Struktur der Flamme führen. Diese spezifische Struktur ist durch verschiedene Parameter geprägt und führt in Abhängigkeit dieser zu Charakteristiken, wie sekundärer oder tertiärer Abstufungen des Flammenkegels, gesteigerter Brenngeschwindigkeit und Flammenkrümmung. Daher sollen in diesem Forschungsprojekt die Parameterabhängigkeit der Zellgeometrie sowie deren Einfluss auf die Verbrennungscharakteristiken in Abhängigkeit des Wasserstoffanteils, Äquivalenzverhältnisses sowie der hydrodynamischen Randbedingungen untersucht werden, um mit Wasserstoff angereicherte Flammen zukünftig in bestehenden Infrastrukturen nutzbar zu machen.