Energiespeicherung gilt als eine der großen Aufgaben bei der Energiewende. Quellen wie Wind und Sonne sind zwar erneuerbar aber nicht konstant. Sie erfordern daher eine Zwischenspeicherung um Produktion und Verbrauch zu synchronisieren. Ein vielversprechendes Speichermedium ist sog. grüner Wasserstoff, der aus Wind- oder Solarstrom hergestellt wird. Für die Rückverstromung eignet sich neben der Brennstoffzelle die Verwendung von Verbrennungstechnologie. Zu diesem Zweck wurde in der vorliegenden Arbeit ein Laborbrenner entwickelt und untersucht, der Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) im stöchiometrischem Verhältnis zu Wasserdampf verbrennt, ohne dabei umweltschädliche Stoffe auszustoßen. Der Brenner ermöglicht somit die emissionsfreie Umwandlung von gespeichertem Wasserstoff in Strom und Wärme. Die Entwicklung des Brenners basiert auf der drall-stabilisierten Verbrennung, wie sie als optimiertes und erprobtes Konzept in modernen Gasturbinen üblich ist. Allerdings birgt die extrem hohe Reaktivität von H2/O2-Gemischen sehr viel größere Herausforderungen als die Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Luft. Dazu zählen vor allem die hohen Flammentemperaturen und Brenngeschwindigkeiten, sowie die notwendige Verbrennungseffizienz. Im Rahmen der Arbeit wurden umfangreiche Studien zum atmosphärischen Brennverhalten des entwickelten Brenners durchgeführt. Es wird gezeigt, dass Flammen- und Wandtemperatur der Brennkammer durch Verdünnung der Flamme mit Dampf stark reduziert werden können, was die thermische Belastung des Systems reduziert. Der Grad der Verdünnung Ω ist dabei ein entscheidender Parameter in dieser Arbeit, da er gemeinsam mit der Flammenleistung die Dampftemperatur am Auslass bestimmt. Diese ist für den Operationsbereich des Brenners in der realen Anwendung ausschlaggebend. Bei ausreichender Drallstärke der Strömung, ermöglicht der entwickelte Brenner eine stabile Drallflamme über einen sehr breiten Bereich von Ω. Die obere Grenze des Einsatzbereiches liegt etwa bei einer Verdünnung von Ω=6.5, was bedeutet, dass 6.5-mal mehr Wasserdampf zur Verdünnung dazu gegeben wird, als die Flamme selbst erzeugt. Flammen mit solch hohem Ω lassen sich optimal zur Über- und Zwischenerhitzung von Dampfströmen in einem Kreisprozess einsetzen, wo dem Dampfstrom primär Wärme und nicht Masse hinzugeführt werden soll. Die Arbeit zeigt, dass die obere Grenze dabei nicht durch das Erlöschen der Flamme gegeben ist, sondern durch ihre Verbrennungseffizienz, die bei zu hoher Verdünnung abfällt. Eine hohe Verbrennungseffizienz ist allerdings in einem H2/O2-Brenner absolut notwendig, da der produzierte Dampf sonst H2 und O2 enthalten kann, was die restlichen Komponenten des Kraftwerkes beschädigen würde. Für die Evaluierung der Verbrennungseffizienz wird in der Arbeit, zum ersten Mal bei H2/O2 Flammen, ein zeitaufgelöstes System genutzt. Das System basiert auf der Bestimmung der O2 Konzentration im Abgas mittels Absorptionsspektroskopie und die durchgeführten Messungen legen nahe, dass sich das System vor allem im gekoppelten Einsatz mit einer Lambdasonde bewährt. Mit diesem Messsystem ist es möglich die Verbrennungseffizienz live zu überwachen, was für die Verwendung in Kraftwerksprozessen sehr vorteilhaft ist. Der Brenner besitzt bei den atmosphärischen Tests in dieser Arbeit noch keine perfekte Verbrennungseffizienz. Eine Parameterstudie des Brennerdesigns zeigt jedoch, dass die Verbrennungseffizienz durch erhöhten Drall und eine höhere Leistungsdichte gesteigert werden kann. Gleichzeitig weist der Brenner auch bei höherer Leistungsdichte keinerlei Beschädigungen oder Verschleißerscheinungen auf. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit, wird die technische Umsetzbarkeit der dampfverdünnten H2/O2-Verbrennung für Kraftwerksprozesse als sehr positiv eingeschätzt.


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    Titel :

    Investigation of zero-emission hydrogen oxyfuel flames


    Weitere Titelangaben:

    Untersuchung von emissionsfreien Wasserstoff/Sauerstoff Flammen


    Beteiligte:
    Tanneberger, Tom (Autor:in) / Technische Universität Berlin (Gastgebende Institution)

    Erscheinungsdatum :

    2020



    Medientyp :

    Sonstige


    Format :

    Elektronische Ressource


    Sprache :

    Englisch



    Klassifikation :

    DDC:    629




    Heat transfer measurements in a hydrogen-oxyfuel combustor

    Tanneberger, Tom / Stathopoulos, Panagiotis | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) | 2020

    Freier Zugriff

    Investigation of Unsteady Simulation Methods in an Oxyfuel Configuration

    Ketelheun, A. / Mehdizadeh, A. / Knappstein, R. et al. | British Library Conference Proceedings | 2015


    Examination of Emission Spectra from Hydrogen Sulfide Flames

    Selim, Hatem / Al Shoaibi, A. / Gupta, Ashwani | AIAA | 2011


    EXAMINATION OF EMISSION SPECTRA FROM HYDROGEN SULFIDE FLAMES

    Selim, H. / Shoaibi, A.A. / Gupta, A. et al. | British Library Conference Proceedings | 2011