Mesoskalige Brennerarrays für wasserstoffreiche Brennstoffe - Hohe Leistungsdichte, Brennstoffflexibilität und geringe Emissionen durch additive Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt; Dr.-Ing. Arne Scholtissek; Professor Dr.-Ing. Stefan Will
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524004024

Grüner Wasserstoff ist eine wesentliche Ressource unserer zukünftigen Energiewirtschaft. Während kompakte Brenner mit hoher Leistungsdichte in industriellen und Haushaltsanwendungen weit verbreitet sind, führen die Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff zu grundlegenden Herausforderungen für die Auslegung und den Betrieb solcher Brenner. Hauptziel dieses Forschungsprojekts sind Designprinzipien für mesoskalige Brennerarrays, die mit Wasserstoff und Wasserstoff-/Methan-Mischungen betrieben werden und gleichzeitig hohe Leistungsdichte, Brennstoffflexibilität und geringe Schadstoffemissionen aufweisen. Hierzu ist ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Düsentopologie und Flammeneigenschaften erforderlich, und zwar sowohl für Einzeldüsen als auch für Mehrdüsenanordnungen. In diesem Zusammenhang eröffnet die additive Fertigung (AF) weitreichende Freiheitsgrade, die innovative Designs ermöglichen. Zunächst werden Designprinzipien für Einzeldüsen abgeleitet, untersucht und bewertet. Ausgehend von Referenzgeometrien werden Topologie- und Designänderungen eingeführt und mittels Simulation untersucht. Die Düsen weisen integrierte Strukturen für optimale Strömungsführung, Mischung und Kühlung auf, wobei eine kompakte Geometrie beibehalten wird. Die Prototypen werden mittels pulverbettbasierter AF hergestellt. Eine erste Bewertung konzentriert sich auf Flammenstabilität und Brennstoffflexibilität. Vielversprechende Entwürfe werden mit optischen Verfahren weiter untersucht, u.a. Hochgeschwindigkeits-Chemilumineszenz und planare LIF zur Charakterisierung der Flammentopologie und Wärmefreisetzung, Raman- und IR-Emissionsspektroskopie zur Temperaturmessung und PIV zur Bestimmung der Strömungsfelder. Die Oberflächentemperatur der Düse wird mittels einer IR-Kamera nach Kalibrierung der Materialeigenschaften gemessen. Darauf aufbauend wird das Basismaterial 316L durch In-situ-Legierung hinsichtlich der Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation und Wasserstoffdiffusion optimiert. Optische Fasern werden in den Brenner eingebracht, zunächst zur Erkennung kritischer Betriebszustände und später zur Integration optischer Diagnostik, die Messungen an Stellen ermöglicht, die ohne AF nicht zugänglich sind. Für die optimierten Düsen werden zusätzliche Einlasskanäle integriert, um durch partielle Vormischung höhere Brennstoffflexibilität und Leistungsdichten zu erzielen. Die erste Förderperiode abschließend werden Flammenwechselwirkungen zwischen zwei Düsen untersucht mit dem Ziel, die Brennerleistung zu steigern. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden in der zweiten Förderperiode Mehrdüsenkonzepte untersucht. Vorgesehen ist ein modularer Aufbau, bei dem die Anzahl der Düsen an die gewünschte Maximalleistung angepasst und ein großer Modulationsbereich realisiert werden kann. Kooperationen mit verschiedenen Arbeitsgruppen des SPP wurden hinsichtlich der Methodenentwicklung in den Bereichen Simulation, optische Diagnostik und AF vereinbart.

• 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