Einfluss von gelöstem Wasserstoff auf die thermophysikalischen Eigenschaften von organischen Flüssigkeiten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524349465

Wasserstoff (H2) ist ein vielversprechender Energieträger für die zukünftige Energieversorgung. In vielen der derzeit diskutierten H2-basierten Technologien steht H2 mit organischen Flüssigkeiten im Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht. Für ein grundlegendes Verständnis des Verhaltens von Gemischen aus organischen Flüssigkeiten mit darin gelöstem H2 ist die genaue Kenntnis ihrer thermophysikalischen Eigenschaften (TPE) in Abhängigkeit von Temperatur T, Druck p und Zusammensetzung erforderlich, die bislang unzureichend ist. Das Hauptziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Aufklärung des Einflusses von gelöstem H2 auf vor allem für die Charakterisierung des Transports von Wärme, Stoff und Impuls bedeutsame TPE von organischen Flüssigkeiten. Hierzu sind für binäre und ternäre Gemische aus organischen Flüssigkeiten und H2 die H2-Löslichkeit und die Grenzflächenspannung sowie die Dichte, dynamische Viskosität, Temperaturleitfähigkeit und Ficksche Diffusionskoeffizienten in der flüssigen Phase experimentell und theoretisch zu bestimmen. Die vorgeschlagenen Vertreter verschiedener organischer Flüssigkeitsklassen ergänzen die wenigen bereits untersuchten Systeme und erlauben es, die Übertragbarkeit der Ergebnisse zwischen den Klassen zu analysieren. Lineare und verzweigte Alkane, deren sauerstoffhaltige Derivate in Form von mehrwertigen Alkoholen und Polyoxymethylendimethylethern sowie mono- oder bizyklische hydrierte und dehydrierte Kohlenwasserstoffe ermöglichen es, weite Bereiche der physikochemischen Eigenschaften hinsichtlich Größe, Struktur und Polarität und somit auch der Absolutwerte der TPE abzudecken. Mithilfe von konventionellen Messmethoden und der Dynamischen Lichtstreuung (DLS), letztere angewandt auf das Innere der Flüssigkeiten und ihre Phasengrenzen innerhalb einer einzigen Messzelle, soll eine genaue experimentelle Datenbasis der TPE für T und p bis zu 473 K und 10 MPa geschaffen werden. Hierbei liefern die DLS-Messungen auch Aufschlüsse über Beziehungen zwischen den experimentellen Resultaten und der Theorie der Diffusion in ternären Gemischen mit H2. Die makroskopischen TPE sollen mit den molekularen Eigenschaften der organischen Lösungsmittel und der aus der Interaktion mit H2 resultierenden, mittels Raman-Spektroskopie und molekulardynamischen Simulationen untersuchten Fluidstruktur in Verbindung gebracht werden. Die Simulationen sind für ausgewählte Vertreter jeder Klasse vorgesehen, wobei die entsprechenden Kraftfelder vor allem im Hinblick auf die T-abhängige Dichte der reinen organischen Flüssigkeiten und der H2-Löslichkeit optimiert werden sollen. Der Schwerpunkt der Simulationen liegt auf der Analyse der molekularen Anordnung im Inneren der Flüssigkeit und an der Grenzfläche. Auf Basis aller Ergebnisse soll eine in entsprechende Korrelationen eingehende Modellvorstellung über den Einfluss von H2 auf die TPE von organischen Flüssigkeiten in Abhängigkeit von T, p und der Lösungsmittelzusammensetzung entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen