Stickoxidarme thermochemische Energieumwandlung von Ammoniak

• Antragsteller: Fabian Hampp, Ph.D.; Peter Kraus, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Hans Christian Möhring
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Strömungsmechanik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523873650

Das primäre Ziel des im SPP vorgeschlagenen Forschungsvorhabens ist der Machbarkeitsnachweis für die direkte thermochemische Umwandlung von Ammoniak in Verbrennungsanwendungen mit hoher Leistungsdichte bei gleichzeitig minimalem NOx- und NH3-Schlupf. Die Entwicklung wird durch die Kombination von drei Schlüsseltechnologien ermöglicht: (i) additive Fertigung, die die Konstruktion eines (ii) hocheffizienten In situ NH3-Reformers für die anschließende Verbrennung von H2-angereicherten Mischungen in einem (iii) selbstzündungsstabilisierten Verbrennungsprozess realisiert. Die Kombination ist äußerst vielversprechend, da der Reformer und Brenner auf gleichem Temperaturniveau betrieben werden können. Das In situ NH3 Cracken in NH3-H2-N2 ermöglicht die Nutzung der vorteilhaften H2 Verbrennungseigenschaften, bietet eine gezielte NOx-Minimierung und umgeht die transportbezogenen Herausforderungen von H2. Zu diesem Zweck sollen Multimaterial- und Mikrodosierungs-AM-Prozesse entwickelt werden, um die Herstellung einer Kraftstoffreformer / Verbrennungsluftwärmetauscher Kombination zu ermöglichen. Die große Oberfläche poröser Strukturen mit katalytischer Aktivierung beschleunigt die Reaktionskinetik und realisiert die benötigten Ammoniakzersetzungsraten. Der Zusammenhang der Verbrennungslufttemperatur mit der Reformerleistung führt zu einer breiten Spanne möglicher Zusammensetzungen der entstehenden NH3-H2-N2 Gemische und erfordert einen kraftstoffflexiblen Verbrennungsprozess. Selbstzündungsstabilisierte Verbrennung, FLOX oder MILD sind für diesen Zweck gut geeignet und ermöglichen gleichzeitig geringe thermische NOx-Werte. Die NOx-Bildung in NH3-H2-N2-Luft-Flammen mit variabler Zusammensetzung ist aufgrund komplexer Turbulenz-Chemie-Wechselwirkungen stark nichtlinear und erfordert ein verbessertes grundlegendes Verständnis welches hier erweitert werden soll. Um die Vorteile des Verbrennungsprozesses voll auszuschöpfen, ist eine homogene Kraftstoff-Luft-Mischung essenziell um lokale Hotspots zu vermeiden, thermisches NOx zu reduzieren und den Selbstentzündungs- und Verbrennungsprozess zu steuern. Die "Form-follows-function"-Designfreiheit von AM ermöglicht die Entwicklung von Gasinjektions- und Mikromischkonzepten, welche eine vom Kraftstoffgemisch und Einspritzimpuls unabhängige Homogenität bieten. In diesem Zusammenhang werden AM-Parameter optimiert und Lösungen für funktionsorientierte Bauprozesse poröser Strukturen und trägerfreier Mikrokanäle entwickelt. Im finalen Schritt werden der AM-Kraftstoffreformer, die Gaseinspritzung und die Mikromischkomponenten in den Proof-of-Concept Brenner für eine umfassende Co-Optimierung in Phase II des SPP integriert. Die Ergebnisse ermöglichen die Technologieentwicklung von thermochemischen Ammoniak-Umwandlungssystemen mit niedrigem Nox-Gehalt für stationäre und Mikrogasturbinen und können somit eine CO2-neutrale Lösung für Anwendungen in der Wärme- und Stromerzeugung sowie im Transportsektor bieten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2419: Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Rune Peter Lindstedt; Lu Tian, Ph.D.