Exergetische Analyse reaktiver Systeme bei der multifunktionalen Stoff- und Energiewandlung

• Antragsteller: Professor Dr. Burak Atakan
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 229243862

Dieses Teilprojekt entwirft Prozesskonzepte zur Nutzung von brennstoffreich betriebenen HCCI-Motoren zur Polygeneration von Arbeit, Wärme und Nutzchemikalien und bewertet sie thermodynamisch und exergoökonomisch. Als Nutzchemikalien stehen Synthesegas und höherwertige Kohlenwasserstoffe, wie Ethin und Ethen im Fokus. Aufgrund der niedrigen Tendenz von Methan/Luft-Gemischen zur Selbstzündung spielen Additive und Frischgas-Vorheizung durch Abgasrezirkulation oder Rekuperation eine wichtige Rolle. In der vorangegangenen Projektperiode wurden die positiven Einflüsse von reaktiven Additiven, wie n-Heptan und Dimethylether, gezeigt. Diese liegen insbesondere in der Reduzierung der zur Methan-Zündung benötigten Einlasstemperatur in HCCI-Motoren. Hierbei wird jedoch ein nicht unerheblicher Teil der Energie und des Kohlenstoffs durch das Additiv eingebracht. Daher sind alternative Additive wie beispielsweise Ozon interessant, die bereits bei deutlich geringeren Konzentrationen wirksam werden. Diese sollen in der hier beantragten Periode der FOR 1993 untersucht werden. In Vorstudien wurde exemplarisch gezeigt, dass sehr geringe Mengen Ozon auch im brennstoffreichen Bereich die Zündung bei reduzierter Temperatur ermöglicht.Daher ist es nun das Ziel anhand von Simulationen die motorische Kinetik und Thermodynamik bei Methan- und Ethanolgemischen mit Ozon im brennstoffreichen Bereich zu quantifizieren. Einerseits gilt es, Zusammenhänge zwischen Ozonmenge, reaktiven Intermediaten und Endprodukten für den brennstoffreichen Bereich in Kompressions-Expansions-Zyklen aufzudecken. Andererseits ist es das Ziel, realistische Parameterbereiche für eine motorische Polygeneration auch bezüglich Druckanstiegsraten und Verbrennungsschwerpunkten zu finden. Schließlich soll die Güte des motorischen Prozesses, auch in Kooperation mit den experimentellen Teilprojekten, mithilfe des Exergiekonzeptes bewertet und Irreversibilitäten reduziert werden.Da der motorische Prozess nur als Teilsystem angesehen werden kann, ist eine Aussage über dessen thermodynamische Güte zwar wichtig, muss aber auch gemeinsam mit vor- und nachgelagerten Prozessschritten thermodynamisch und ökonomisch betrachtet werden. Ob motorische Polygeneration genutzt wird, hängt letztlich an den Gesamtkosten der energetischen- und stofflichen Produkte, im Vergleich zu konkurrierende Wandlungs- oder Herstellungsmethoden. Die exergoökonomische Abwägung der Kosten der Exergievernichtung und der Investitionskosten gibt wichtige Hinweise über Verbesserungsmöglichkeiten. Es wurde bisher festgestellt, dass der motorische Polygeneration-Prozess auch als Gesamtsystem thermodynamisch und ökonomisch Vorteilhaft ist, es wurden aber auch Schwachstellen aufgedeckt. Ziel dieser Arbeiten ist es, für motorisch vielversprechende Bedingungen mit Ozonzugabe, Prozesskonzepte inkl. Stofftrennung und Energieintegration zu entwickeln und im Vergleich zu Alternativkonzepten zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1993: Multifunktionale Stoff- und Energiewandlung