Ziel dieses Projektes ist die Charakterisierung des Einflusses von Wasserstoff-Addition auf die lokalen Flammenstrukturen und NOx-Emissionen bei vorgemischten, laminaren Gegenstromflammen für die kohlenstofffreie Verbrennung von Ammoniak mittels kombinierter Raman/Rayleigh- und NO-LIF-Spektroskopie.

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dreizler; Professor Dr.-Ing. Dirk Geyer
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503997890

Der Einsatz der kohlenstofffreien Brennstoffe Ammoniak und Wasserstoff als chemische Energiespeicher für erneuerbare Energien ist für die Dekarbonisierung (z. B. maritime Antriebe) von sehr großer Bedeutung. Die Koverbrennung von Ammoniak und Wasserstoff öffnet Optionen, um die Schwierigkeiten bei der Einzel-Nutzung der beiden Brennstoffe zu überwinden. Wasserstoff kann energieeffizient aus grünem Ammoniak hergestellt werden. Durch die Addition von wenigen Molanteilen Wasserstoff zu Ammoniak wird im Vergleich z.B. zur Erdgas-Verbrennung, bei ähnlichen laminaren Brenngeschwindigkeiten, eine deutliche Erhöhung der Flammenstabilität beobachtet. Gleichzeitig verändert die Wasserstoffzugabe die Flammenstruktur und die lokale Stickoxidbildung. Diese Phänomene wurden bisher vorwiegend numerisch untersucht. Detaillierte experimentelle Untersuchungen sind in der Literatur nicht verfügbar, werden jedoch für ein weitergehendes Verständnis und zur Validierung mathematisch-chemischer Modelle dringend benötigt. Ziel ist, den Einfluss der Wasserstoffaddition auf die Flammenstruktur, die Flammenstabilität und die Stickoxidbildung für vorgemischte Ammoniak/Wasserstoff-Flammen grundlegend zu verstehen. Unter Nutzung laserdiagnostischer Methoden sollen räumlich aufgelöst thermochemische Zustände und die gegenüber kohlenwasserstoffbasierten Verbrennungsprozessen sehr unterschiedliche Stickoxidbildung in der Reaktionszone untersucht werden. Die Untersuchungen werden bis an die aerodynamische Verlöschgrenze heran durchgeführt, um die durch die Wasserstoffaddition veränderte Flammenstruktur und die damit interagierenden Mechanismen der Flammenstabilität und Stickoxidbildung zu analysieren. In einer parametrischen Variation werden verschiedene Äquivalenzverhältnisse und Ammoniak/Wasserstoff/Stickstoff/Luft-Mischungen in einer Gegenstromkonfiguration systematisch erforscht. Zunächst werden die durch Wasserstoffaddition bewirkten Mechanismen für laminare, in einer zweiten Projektphase für turbulente Strömungsbedingungen untersucht. Thermochemische Zustände (Temperatur, Spezieskonzentrationen) und Flammenstrukturen werden mittels räumlich aufgelöster eindimensionaler Raman-Rayleigh-Spektroskopie gemessen. Vorbereitend hierfür werden die bislang unbekannten, temperaturabhängigen Raman-Streuquerschnitte des Ammoniakmoleküls experimentell ermittelt. Stickoxidkonzentration werden mit der laserinduzierten Fluoreszenz quantitativ bestimmt. Die lokalen Streckungsraten nahe der Reaktionszone werden mit der Particle Image Velocimetry und der simultan über laserinduzierte Fluoreszenz bestimmten Hydroxylradikalverteilung identifiziert. Mit diesen experimentellen Daten werden reaktionskinetische Modelle bewertet, die gerade bei der Vorhersage der Stickoxidbildung und Verlöschgrenzen erhebliche Abweichungen aufweisen. Die umfassenden Untersuchungen sollen eine Wissenslücke schließen, um die Energieumwandlungspotentiale von grünen Ammoniak-Wasserstoff-Gemischen besser zu nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen