Detaillierte Untersuchung der Oxidationskinetik von Kraftstoffen in superkritischem Kohlenstoffdioxid

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Heufer
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562309324

Dieses Forschungsvorhaben untersucht die detaillierte chemische Kinetik der Oxidation von Brennstoffen in einem geschlossenen Kohlenstoffkreislauf in überkritischem Kohlendioxid (CO2) mit dem Ziel, nachhaltige Energielösungen voranzutreiben. Untersucht wird die Verbrennung von Methan, Methanol und Dimethylether im Rahmen des Allam-Zyklus, einem innovativen Oxyfuel-Prozess mit CO2-Emissionen nahe Null. Dieser Zyklus integriert Sauerstoff und überkritisches CO2 für die Verbrennung und recycelt die Abgase durch Kondensation von Wasser und Abscheidung von CO2 zur Wiederverwendung in nachfolgenden Verbrennungsprozessen. Die Dringlichkeit des Übergangs von fossilen Brennstoffen zu nachhaltigen Energiequellen dient als Grundlage für das Vorhaben. Der Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis der Verbrennungschemie unter überkritischen Bedingungen, insbesondere auf den realen Gaseffekten, die in konventionellen Verbrennungsstudien bislang wenig erforscht worden sind. Dadurch sollen die Grundlagen für die Entwicklung von Technologien für geschlossene Kohlenstoffkreisläufe geschaffen werden. Die Verbrennungsprozesse in überkritischem CO2 werden mit einer Kombination aus theoretischen, numerischen und experimentellen Methoden untersucht. Die Studie baut auf etablierten Prinzipien der Verbrennung idealer Gase auf, betont aber die einzigartigen Herausforderungen überkritischer Umgebungen, wie z. B. Hochdruckbedingungen und reale Gaseffekte. Zu den wichtigsten Zielen gehören die Messung der Zündverzugszeiten für Methan, Methanol und Dimethylether unter Verwendung von Stoßrohr und Einhubtriebwerk, die Durchführung quantenmechanischer Berechnungen zur Vorhersage thermodynamischer und kinetischer Eigenschaften und die Entwicklung detaillierter chemischer kinetischer Modelle, die auf den überkritischen CO2-Kontext zugeschnitten sind. Um diese Ziele zu erreichen, ist die Forschung in drei Arbeitspakete (WPs) gegliedert: WP1: Messung der Zündverzugszeiten für die ausgewählten Brennstoffe in überkritischem CO2. WP2: Ab initio Berechnungen zur Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften und der Ratenkonstanten unter überkritischen Bedingungen. WP3: Entwicklung von kinetischen Modellen für die Brennstoffe, einschließlich Anpassungen von idealen Gasverbrennungsmodellen. Durch die Erlangung eines umfassenden Verständnisses der Brennstoffverbrennung in überkritischem CO2 trägt die Forschung zur Weiterentwicklung nahezu CO2-neutraler Verbrennungstechnologien bei und unterstützt damit den weltweiten Übergang zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen