Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre

Zur nachhaltigen Sicherung der Energie- und der Stromversorgung wird weltweit neben Kernenergie und regenerativer Energiebereitstellung zukünftig weiterhin der Rückgriff auf fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Erdgas, nicht vermieden werden können. Bei konventionellen Kraftwerkstechnologien werden jedoch Treibhausgase freigesetzt, während gleichzeitig deren Reduzierung weltweit hohe Priorität hat. Zur Lösung dieses Zielkonfliktes werden Carbon Capture and Storage (CCS)-Methoden diskutiert, wobei die Oxyfuel-Verbrennung eine der vielversprechendsten Technologien zur CO2-Abscheidung darstellt. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff anstelle von Luft mit einem Gemisch aus Sauerstoff und rezirkuliertem Abgas verbrannt, um so ein hoch CO2-haltiges Abgas zu erzeugen, das nach weiteren sekundären Reinigungsschritten abgetrennt werden kann. Der Ersatz des Stickstoffanteils der Luft durch CO2 und H2O führt zu einem völlig neuen Verbrennungsverhalten, das auch zu Instabilitäten sowie zum örtlichen Verlöschen der Flamme führen kann. Die korrekte Beschreibung dieses Verbrennungsverhaltens erfordert entsprechende physikalisch und chemisch motivierte Modelle für diese spezielle Gasatmosphäre. Deshalb sollen im SFB/Transregio 129 „Oxyflame“ die folgenden Erkenntnisse, Daten und Modelle erarbeitet werden:

• Belastbare Modelle durch grundlegendes Verständnis der beteiligten Prozesse und deren Abhängigkeit von den jeweiligen Einflussparametern, von der Mikroskala bis hin zur skalenübergreifenden Interaktion,
• Basisdaten zur Vorhersage der Wärmeübertragung von der Flamme an die Wände und Einbauten in Kraftwerkskesseln mit Oxyfuel-Atmosphäre,
• Verlässliche Berechnungsgrundlagen für die Entwicklung und Auslegung von Brennern und Feuerräumen für Oxyfuel-Kraftwerke mit Feststoffverbrennung.

Im SFB/Transregio Oxyflame arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der RWTH Aachen, Ruhr-Universität Bochum und TU Darmstadt zusammen, um chemisch-physikalische Modelle zur detaillierten Beschreibung der Verbrennung und Wärmeübertragung in Oxyfuel-Verbrennungsprozessen zu entwickeln.

Die Basis für diese Modelle sind Basisdaten und Erkenntnisse, die innerhalb dieses Sonderforschungsbereichs in experimentellen Untersuchungen ermittelt und gewonnen wurden.

_{Foto: Kohleflamme mit Laserstrahlen zur Geschwindigkeitsmessung von Partikeln}

Die Modelle sind Grundlage für Auslegungswerkzeuge, mit denen eine modellgestützte Entwicklung und Auslegung (predictive engineering) von Brennern und Kesseln insbesondere für die Feststoffverbrennung in einer Oxyfuel-Atmosphäre möglich wird. Dies erlaubt letztlich größere Skalierungsschritte bei der Anlagenentwicklung und reduziert überdies auch den zu betreibenden experimentellen Aufwand, woraus sich final eine deutliche Reduktion des Zeitaufwands bei der Kraftwerksentwicklung ergibt.

(Eine detaillierte Beschreibung zu den einzelnen Teilprojekten und den beteiligten Wissenschaftler_innen finden Sie hier: www.oxyflame.de)