Der weltweite Bedarf an Elektrizität wird in den nächsten Jahren stetig steigen, gleichzeitig muss die Emission von klimaschädlichen Gasen deutlich reduziert, um die Auswirkungen des Klimawandels zu minimieren. Um sowohl eine sichere Energieversorgung zu gewährleisten als auch den Ausstoß klimaschädlicher Gase deutlich zu minimieren, ist die Entwicklung moderner emissionsarme und effizienter Kraftwerke als Alternative zu konventionellen Kohlekraftwerken ein essentielles Ziel.
In diesem Zusammenhang ist die Oxyfuel-Verbrennung von Biomasse und Kohle eine vielversprechende Zukunftstechnologie. Im Gegensatz zur Verbrennung mit Luft besteht der Oxidator bei der Oxyfuel-Verbrennung aufgrund von hohen Abgasrezirkulationsraten zu einem deutlich höheren Anteil aus Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Der erhöhte Anteil an CO2 im Abgas ermöglicht den effizienten Einsatz von Carbon-Capture-and-Storage Technologie (CCS), so dass der Ausstoß von CO2 auf ein Minimum reduziert werden kann.
Allerdings verändert der erhöhte Anteil von CO2 und H2O in der Oxyfuel-Atmosphäre im Vergleich zur herkömmlichen Verbrennung mit Luft die Verbrennungs- und Transportprozesse erheblich. Diese Veränderungen werden im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB/TRR) 129 „Oxyflame“ im Detail untersucht. Dabei ist das übergeordnete Ziel Modelle zur Beschreibung der physikalischen und chemischen Verbrennungsvorgänge unter Oxyfuel-Atmosphäre zu entwickeln, um in Zukunft den Einsatz von Oxyfuel-Verbrennung in modernen Kraftwerken zu etablieren. Im Rahmen des TRR/SFB 129 liegt der Fokus des ITV auf der Untersuchung der homogenen Gasphasenchemie und der heterogenen Verbrennung der Kohlepartikel. Dabei verfolgt das ITV drei übergeordnete Ziele.
Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der Gasphasenchemie unter Oxyfuel-Atmosphäre
Mittels modernster Probenmesstechniken wird die Verbrennung von Pyrolyse-Produkten der Biomasse und Kohle in Modellflammen untersucht. Neben der Analyse der Verbrennung liegt ein weiterer Schwerpunkt auf den Bildungswegen von Schadstoffen. Anhand der experimentellen Daten werden Reaktionsmechanismen, die die Gasphasenchemie der Kohleverbrennung unter Oxyfuel-Verbrennung beschreiben, entwickelt, validiert und optimiert. Diese Reaktionsmechanismen sind essentiell für die weitere Untersuchung der Verbrennungsprozesse und Schadstoffbildung unter Oxyfuel-Bedingungen in Kraftwerken.
Modellierung der transienten Partikelverbrennung in laminaren und turbulenten Strömungen
Um die Verbrennung von Kohlepartikeln numerisch zu beschreiben, sind komplexe Modelle notwendig, die nicht nur die homogene und heterogenen Verbrennungsprozessen sondern auch die Interaktion der Partikel mit der Strömung widerspiegeln. Mittels detaillierter Simulationen wird die Verbrennung von Einzelpartikeln bis hin zu Partikelwolken berechnet, um Verbrennungsprozesse sowie die Interaktion der Partikel untereinander zu untersuchen und daraus numerische Modelle für Beschreibung der Partikelverbrennung abzuleiten.
Analyse der Vorhersagegenauigkeit und Sensitivitäten von Modellen
Zur Beschreibung der Transport- und Verbrennungsprozesse in Kraftwerksprozessen sind eine Vielzahl von komplexen Modellen erforderlich, um die physikalischen und chemischen Phänomene widerzuspiegeln. Diese Modelle unterliegen Unsicherheiten hinsichtlich ihrer Vorhersagegenauigkeit. Um die Simulationsergebnisse sinnvoll zu interpretieren, ist es essentiell, diese Ungenauigkeiten zu analysieren und die Sensenitätiven der Modelle im Bezug auf die Eingangsparemeter zu bestimmen.
