Keynote A
Vortrag: Prof. Dr.-Ing. Christoph Wieland (Gas- und Wärme Institut, Universität Duisburg-Essen)
Moderation: Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer
The Shockless Explosion Combustion (SEC) concept, introduced by Bobusch et al. (Combust. Sci. Technol., Vol. 186, (10-11), 2014), seeks to achieve constant volume combustion in gas turbines by using acoustic confinement to trigger close-to-homogeneous auto-ignition of small premixed fuel-air packets. The authors recently (Klein et al., ASME J. Eng. Gas. Turb. Pow., Vol. 147, 2025) presented a comprehensive computational study of a whole engine SEC-driven gas turbine model with detailed investigations of the highly unsteady reactive gas-dynamics inside the combustor. Thermodynamic cycle analyses have shown thermal efficiencies close to the theoretical Humphrey cycle for pressure gain combustion for compressor pressure ratios of 6:1 and 20:1. The study demonstrated the potential of an SEC-driven gas turbine to deliver substantial efficiency gains over classical gas turbines designs. The study of Klein et al. utilizes a simple one-step Arrhenius type chemical reaction with parameters adjusted to mimic key parameters of real fuels such as ignition delay and heat release rate, which are essential for the resonant behavior of the SEC combustor. In this study we advance the study of Klein et al. by presenting results for an SEC-driven gas turbine using a detailed chemical reaction mechanism for hydrogen, which has been identified as a suitable fuel for pressure gain combustion. For a compressor pressure ratio of 6:1 a thermal efficiency of 49,3% is achieved for the engine operating in SEC mode compared to 38,4% thermal efficiency for the classical Brayton-Joule process. The investigations demonstrate the overall robustness of the SEC combustion mode.
Sitzung vom Combustion Institute in L2.202
Kurzfassung
Gemäß den Bestrebungen der EU, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren, sind ihre europäischen Mitgliedsländer dabei, die Energiewirtschaft auf eine ökologische und nachhaltige Erzeugungsstruktur umzuwandeln.
Dabei steht die sichere und nachhaltige Versorgung der Verbraucher mit Strom und Wärme im Fokus. Eine wichtige Rolle für die Bereitstellung von nachhaltig erzeugter Energie spielen dezentrale Heizkraftwerke, die oft bereits schon mit lokalen Biomassen, wie Holz-Hackschnitzel, Stroh, Energiepflanzen aus der Landwirtschaft oder Restholz aus der forstwirtschaftlichen Nutzung als Brennstoff versorgt werden. Die Menge verfügbarer und ungenutzter Biomasse ist nach wie vor enorm. Dabei handelt es sich um Biomassen, die nicht in Konkurrenz zu Flächen oder Pflanzen zur Lebensmittelerzeugung stehen, sondern entweder bei der Produktion als Nebenprodukte anfallen, oder auf „marginalen Böden“, also Böden, die für die landwirtschaftliche Nutzung nicht geeignet sind, gewonnen werden.
Biomasseheizkraftwerke können durch Kombination von bestehender Anlagentechnik, meist ausgestattet mit Verbrennungsrosten, mit einem Biomassevergaser flexibler betrieben werden. Während die Rostfeuerung Wärme und ggf. elektrische Energie über den Betrieb einer Dampfturbinenanlage zur sofortigen Nutzung bereitstellt, bietet ein Vergaser die Möglichkeit speicherfähige Brennstoffe wie Pyrolysegas und Pyrolyseöl zu erzeugen und so Erzeugungsspitzen abzudecken. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Energieverbrauch über den Tag starken Schwankungen unterworfen ist. Je nach Verbraucherstruktur im Versorgungsgebiet ist auch die Versorgung von Wärme und Strom über das Jahr sehr unterschiedlich. Der Vergaser bietet zudem die Möglichkeit, das erzeugte Pyrolysegas oder Pyrolyseöl entweder für die Wärmeversorgung über Brenner oder zur Stromerzeugung in Motoren einzusetzen und bietet damit einen zusätzlichen Grad an Flexibilität.
Auch der Versorgungssicherheit mit Biomasse aus nachhaltiger und regenerativer Erzeugung gilt es Beachtung zu schenken. In diesem Beitrag soll über die wichtigen Aspekte der Verfügbarkeit von Biomassen für die thermische Nutzung in Kraftwerken berichtet und ein Ausblick auf die Wirtschaftlichkeit der gesamten Kette von der Biomasseernte, Transport, Lagerung und Aufbereitung berichtet werden. Außerdem wird ein Beispiel für ein flexibles Anlagenkonzept vorgestellt.
Eine der größten Herausforderungen der Modernisierung der Energieversorgung ist die Notwendigkeit großtechnischer saisonaler Energiespeicher. Erneuerbare Energie muss in einer Form verfügbar sein, in der industrierelevante Kapazitäten über längere Zeiträume hinweg gespeichert werden können. Hier können metallische Energieträger (eng. „Metal Fuels“) eine bedeutsame Rolle spielen. Bei diesem Konzept wird Energie durch die Verbrennung von Metallpulver freigesetzt. Um die Klimaneutralität zu gewährleisten, kann grüne Energie für die Rückreduktion der dadurch entstehenden Metalloxide verwendet werden. Forschung und Industrie untersuchen die Möglichkeit, Kraftwerke zur Eisenverbrennung in Betrieb zu nehmen; auch wir möchten uns diesem Ansatz widmen, und zwar durch die Umrüstung von Kohlekraftwerken.
Ziel der Arbeit ist es, erste empirische Hinweise auf das Flammenverhalten zu erhalten. Wesentliche Frage ist dabei die nach der Stabilisierung der Flamme unter variierten Betriebsbedingungen. Zu diesem Zweck nutzen wir die für die Untersuchung der Braunkohlestaubverbrennung konzipierte Versuchsbrennkammer MB1500, mit einer Brennstoffwärmeleistung von bis zu 15 kW, die hiermit einen neuen Einsatzfall als „Zittau Iron Combustion Chamber“ (ZIICC) bekommt. Die ZIICC ist eine aufwärts ausgerichtete Mikrobrennkammer, die das feuerungstechnische Verhalten industrieller Brennkammern nachbildet. Zunächst wird die Machbarkeit der Eisenpulververbrennung gezeigt, indem Eisenpulver erst zu Braunkohlestaub beigemischt und anschließend in reiner Form verbrannt wird, um eine selbsterhaltende Flamme zu generieren. Hier werden wir auf die beobachteten Unterschiede zwischen Braunkohlestaubfeuerung und Eisenpulververbrennung eingehen. Danach wird der Sauerstoffgehalt im Abgas, genauer gesagt der damit verbundene Zufuhr-Massenstrom des Eisenpulvers, variiert, wodurch primär verfahrens- und betriebstechnische Daten generiert wurden. Das Phänomen des Fouling, das bisher nur in vertikal ausgerichteten Eisenbrennern beobachtet wurde, wird untersucht und mögliche Erklärungen hierfür werden geliefert. Des Weiteren wird das Zündverhalten zweier Eisenpulver vergleichen. Alle diese Punkte sind wichtig, um vertikal ausgerichtete Brenner, wie sie in Kohlekraftwerken zu finden sind, erfolgreich umzurüsten.
Keynote B
Vortrag: Prof. Dr.-Ing. Alba Diéguez Alonso
Moderation: Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch