Kraftstoffe, Verbrennung und Emissionen

Im Bericht „Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation” wird das Ziel einer starken Verminderung der Schadstoffemissionen von CO₂ und NO_x, sowie des emittierten Lärms formuliert. Mit unserer Forschung leisten wir einen Beitrag zu den formulierten Zielen. Insbesondere der Umstieg vom Treibstoff Kerosin auf Wasserstoff soll zur Dekarbonisierung der Triebwerksemissionen beitragen. 

Website: Forschung am SFM
Kontakt: Katharina Meinecke 

Zuverlässigkeit und Sicherheit

Gasgemische, die aus großen Mengen Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) bestehen, werden in großem Umfang in verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt, z. B. als Synthesegas bei der Reformierung oder Vergasung. Je nach Zusammensetzung weist das Gasgemisch jedoch einen breiten Explosionsbereich auf. Daher ist es wichtig, die Bedingungen für eine sichere Handhabung des Gemischs zu verstehen und vorherzusagen. Insbesondere die mögliche Entwicklung eines H2/CO-Gemischs bei schweren Unfallszenarien in Kernkraftwerken ist von großer Bedeutung und erfordert Forschung auf grundlegender Ebene.

Website: Forschung am SFM
Kontakt: Kajetan Planötscher 

Life cycle assessment (LCA) von SAFs

Das Netto-Null-Emissionsziel der Luftfahrtindustrie (2050) zielt auf eine maximale Reduzierung der Emissionen ab. In diesem Zusammenhang erforscht und entwickelt die SFM-Gruppe technische und ökologische Analysen für die Produktion von nachhaltigen Flugkraftstoffen (SAF). Diese Forschung zielt darauf ab, die Umweltanalyse von SAF-Pfaden unter Berücksichtigung des europäisch-deutschen Szenarios auf der Grundlage der ICAO-SAF-Vision 2050 zu bestimmen. Wir arbeiten an der Modellierung der SAF-Nachfrage (d.h. F-T- und ATJ-Technologien) unter Berücksichtigung technologischer Szenarien für 2030-2040-2050 in Deutschland, um Umweltauswirkungen und Hotspots in der Versorgungskette auf der Grundlage einer Lebenszyklusanalyse (LCA) zu identifizieren/quantifizieren.

Website: Forschung am SFM
Kontakt: Dr. Pablo Silva Ortiz

Chemisch-kinetische Reaktionsmechanismen für SAF

Detaillierte Studie zur automatischen Generierung und Reduktion chemisch-kinetischer Mechanismen für SAF-Surrogate

Aufgrund des zunehmend dringlichen Problems der Klimaerwärmung strebt die Luftfahrtindustrie den Einsatz von nachhaltigen Flugzeugtreibstoffen (SAF) an. Während die Verwendung von SAF CO2-Emissionen reduziert und möglicherweise zur CO2-Neutralität führen könnte, wird das Problem der Nicht-CO2-Emissionen, wie Stickoxide (NOx) und Ruß, nicht direkt adressiert.
Das SAFMech-Projekt soll diese Lücke schließen und zielt darauf ab, die chemisch-physikalischen Prozesse mittels innovativer Methoden zu untersuchen, die bei der Verbrennung von SAF-Surrogaten ablaufen. Fokus sind SAF-Surrogate, welche über die Fischer-Tropsch-Synthese (FT) oder dem Alcohol-to-Jet-Verfahren (ATJ) hergestellt werden. Fortschritte bei den Untersuchungen sollen für die industrielle Anwendung verwertbar sein.
Die Arbeit in SAFMech umfasst die Erstellung detaillierter chemisch-kinetischer Reaktionsmechanismen für SAF-Surrogate unter Verwendung der „Reaction Mechanism Generator“ (RMG)-Software, gefolgt von der Entwicklung von einem Tool zur Reduktion und Optimierung der Mechanismen, wobei die Genauigkeit der detaillierten Mechanismen so gut wie möglich erhalten werden soll. Die reduzierten kinetischen Mechanismen werden zusammen mit fluiddynamischen Modellen zur Vorhersage wesentlicher Verbrennungseigenschaften verwendet. Aufgrund ihrer Rolle bei der Rußbildung und dem Rußwachstum zielt die Studie zusätzlich darauf ab, einen detaillierteren Einblick in die Bildung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) zu gewinnen.
Das SAFMech-Projekt trägt zu den Umweltschutzzielen, veröffentlicht im Bericht „Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation“, bezüglich der Lärmminderung und der Umweltverträglichkeit von Flugtriebwerken bei.

Projektrahmen: Bayrisches Luftfahrtforschungsprogramm (BayLu25)
Förderung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie
Förderkennzeichen: BayLu25 - BLU-2109-0028
Laufzeit: 01.07.2022 - 30.06.2025
Website: Powering Aviation - Professur für Sustainable Future Mobility
Kontakt: Pooja Neema, Michael Geuking 

H2 Verbrennung

Untersuchung physikalischer Phänomene im Zusammenhang mit der Wasserstoff-Luft-Verbrennung zukünftiger wasserstoffgetriebener Flugzeugtriebwerke.

Um die Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima zu verringern, stellt die Dekarbonisierung eine große Herausforderung dar. Die derzeitigen Brennkammern verbrennen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe wie Kerosin oder neuerdings auch SAF-Produkte. Auch Wasserstoff gilt heute als vielversprechender Energieträger, doch die Verbrennung von Wasserstoff bringt völlig neue Herausforderungen mit sich, die verstanden und antizipiert werden müssen.

HESTIA konzentriert sich auf die Erweiterung der wissenschaftlichen Kenntnisse über wasserstoffbetriebene Flugzeugtriebwerke. Die damit zusammenhängenden physikalischen Phänomene werden durch grundlegende Experimente bewertet. Diese experimentellen Arbeiten werden eng mit numerischen Aktivitäten der Projektpartner verknüpft, die Modelle anpassen oder entwickeln und deren Reifegrad schrittweise erhöhen werden, so dass sie in industrielle CFD-Codes integriert werden können.

Projektrahmen: European Commission within the Horizon Europe Programme
Förderung: European Commission: Climate, Energy and Mobility
Förderkennzeichen: 101056865
Laufzeit: 01.09.2022 - 31.08.2026
Website: European Comission - HydrogEn combuSTion In Aero engines
Kontakt: Katharina Meinecke

H2 Verbrennung

Untersuchung und Entwicklung von Brennverfahren mit niedrigsten Stickoxidemissionen („Low NOx“) für Wasserstoff in Flugtriebwerken.

Im Vergleich zur RQL-Verbrennung in mit Wasserstoff betriebenen Flugtriebwerksbrennkammern ist der Wissensstand zur technisch-vorgemischten Verbrennung mit Wasserstoff in Flugtriebwerken noch weit zurück. Dies gilt sowohl für die konzeptionelle Ebene als auch für die Optimierung erfolgversprechender Konzepte. Vorteile einer Weiterentwicklung zur vorgemischten Wasserstoffverbrennung sind allerdings v.a. mit Bezug auf die Verminderung von NOx-Emissionen zu erwarten. Im Vorhaben soll das Verhalten innovativer, vorgemischter, für die Wasserstoffverbrennung geeigneter Injektions- und Brennverfahren untersucht werden. Hierbei wird es einerseits um das stationäre (Gemischbildung und Wärmefreisetzungsverteilung) und das transiente (Zündung, Hochfahren und Abstellen) Verhalten gehen und andererseits um die thermoakustische Verbrennungsstabililtät mit niedrigsten NOx-Emissionen. Dabei legt GE Aerospace die Injektions- und Brennverfahren aus und liefert sie der TUM zu, wo die o.g. Experimente durchgeführt werden.
Zudem soll ein neuartiges axial gestuftes System an der TUM entwickelt und erste Funktionstests durchgeführt werden. Dieses System soll die entwickelte Technik zur gestuften Wasserstoffverbrennung von stationären Gasturbinen auf Flugantriebe anwenden und somit neue Wege für die Reduktion von Emissionen aufzeigen. Dabei hat das gestufte System ein erhöhtes Reduktionspotential gegenüber dem nicht gestuften. Um den Ansprüchen in verschieden Fluglagen und somit verschiedenen Lastanforderungen gerecht zu werden, werden die Stufen in verschiedenen Konfigurationen auf unterschiedliche Arbeitspunkte zugeschnitten. Dieses Konzept wird zuerst simulativ ausgelegt und dann experimentell erprobt, wobei die Messungen zur Emission im Vordergrund stehen.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: H2-Low NOx Combustor & Conditioning for Start-up
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz 
Förderkennzeichen: 20M2211D
Laufzeit: 01.11.2023 - 31.12.2026
Website: Powering Aviation - Professur für Sustainable Future Mobility
Kontakt: Adrian Hochmuth, Maximilian Aubel 

H2 Verbrennung

Untersuchung von Growl and Rumble in RQL-Brennkammer mit Kerosin und H₂

Das Growl/Rumble-Phänomen beschreibt tieffrequenten Lärm, welcher auch in der Flugzeugkabine wahrnehmbar ist und als unangenehm empfunden werden kann. Darüber hinaus besteht das Risiko von Triebwerksschäden. Es wird davon ausgegangen, dass Äquivalenzverhältnis- und Entropiewellen das Growl/Rumble-Phänomens verursachen. Besonders im Kontext der Wasserstoffverbrennung herrscht jedoch ein Mangel an fundierten Untersuchungen.

Im Rahmen des Vorhabens „Greener-RQL“ soll deshalb die entropiewellengetriebene Thermoakustik mit zwei verschiedenen Treibstoffen untersucht werden: Kerosin - der Treibstoff aktueller Flugtriebwerke - und Wasserstoff - der Treibstoff einer neuen Generation von Flugtriebwerken. Durch „Greener-RQL“ soll somit ein besseres Verständnis zur Ausbreitung von Äquivalenzverhältnis- und Entropiewelle erlangt werden, sowie deren Rückkopplung auf die akustische Wellenausbreitung in einer luftgestuften Brennkammer (RQL).

RQL-Brennkammern sind traditionell darauf ausgelegt Stickoxidemission zu reduzieren. Diese Art von Brennkammern teilen die Verbrennung in zwei Stufen: Die erste Stufe der Verbrennung findet unter Sauerstoffmangel statt und siedelt sich daher im fetten Bereich an. Für die zweite Stufe der Verbrennung wird Luft zugeführt, sodass ein Luftüberschuss vorliegt und somit eine magere Verbrennung begünstigt wird. Durch die luftgestufte Brennkammer soll eine Verbrennung nahe dem stöchiometrischen Gleichgewicht und bei hohen Temperaturen umgangen werden, bei welchem die Konzentration von Stickoxiden am höchsten wäre.

„Greener-RQL“ wird durch das Bayerische Luftfahrtforschungsprogramm „BayLu25“ gefördert und leistet durch die Unterstützung der Wasserstofftriebwerksentwicklung einen Beitrag zur Lärmreduktion und zur Umweltverträglichkeit von Flugzeugtriebwerken.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: Verbrennungsdynamik von RQL Brennkammern
Förderung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie
Förderkennzeichen: BLU-2109-0012 / BayLu21-007-B
Laufzeit: 31.12.2021 - 31.12.2024
Website: Powering Aviation - Professur für Sustainable Future Mobility
Kontakt: Thuy An Do, Ángel Brito Gadeschi 

H2 Verbrennung

Thermoakustische Untersuchungen von Wasserstoff in RQL-Brennkammern

Im Vergleich zur Verbrennung von mit Kerosin betriebenen Flugtriebwerkskammern ist der Wissensstand zur Wasserstoffverbrennung im Luftfahrtbereich noch deutlich zurück. Dies gilt sowohl auf konzeptioneller Ebene als auch für die Optimierung von Erfolg versprechenden Ansätzen. In diesem Vorhaben soll auf die beim Kerosinbetrieb übliche Strategie der Luftstufung mit sog. RQL (Rich-Quench-Lean) Verbrennung aufgebaut werden. Dabei werden Schadstoffemission durch eine mehrschrittige Verbrennung deutlich reduziert. Aufgrund der sehr unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff gegenüber Kerosin soll das Verhalten innovativer, für die Wasserstoffverbrennung geeigneter Injektions- und Stufungsszenarien untersucht werden. Hierbei wird zum einen das stationäre Verhalten, wie Gemischbildung und Wärmefreisetzungsverteilung, als auch das transiente Verhalten bzgl. Zündung, Hochfahren und sicherem Abstellen, untersucht werden. Zusätzlich liegt ein hohes Augenmerk auf möglichen thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten. Das Vorhaben reiht sich in einem größeren Forschungsverbund ein, um auf dem Weg zur sicheren und zuverlässigen Brennkammertechnologie der Zukunft für Wasserstoffantriebe voranzukommen.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: Anpassung des Rich-Quench-Lean-Prinzips auf mit Wasserstoff betriebene Brennkammern“
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz 
Förderkennzeichen: 20M2106C
Laufzeit: bis 31.03.2026
Website: Powering Aviation - Professur für Sustainable Future Mobility
Kontakt: Benjamin Kölbl , Jannes Papenbrock

Verbrennungsprozess von H2 /CO/Luft-Gemischen

Bestimmung der Merkmale der langsamen bis schnellen H2-CO-Verbrennung und Ableitung von Risikokriterien

In Kernkraftwerken können Bedingungen eintreten, die die Integrität des Sicherheitsbehälters gefährden, wenn beispielsweise die Brennstäbe beschädigt werden und durch Metalloxidationsreaktionen - insbesondere Zirkoniumoxidation - H2 gebildet wird. Ferner kann es zur Beton-Schmelze-Wechselwirkung (Molten Core Concrete Interaction - MCCI) kommen, bei der neben H2 auch CO freigesetzt wird. Durch Auftriebseffekte sammelt sich das Gasgemisch unter der Decke des Gebäudes an und bildet eine geschichtete, halb eingeschlossene Gasschicht. Die Wahrscheinlichkeit einer Entzündung durch heiße Oberflächen oder Funken ist hoch, wenn H2 oder H2/CO zusammen mit Sauerstoff (O2) in ausreichender Konzentration vorhanden ist. Der folgende Verbrennungsprozess kann zu einer Erhöhung von Druck und Temperatur führen. Insbesondere die schnelle turbulent-beschleunigte Verbrennung und der Übergang von der Verpuffung zur Detonation (DDT) oder die Detonation sind sicherheitsrelevant, da die damit verbundenen hohen lokalen Druckspitzen die Integrität der Gebäudestruktur beschädigen können. Im schlimmsten Fall könnte die äußere Barriere zwischen dem nuklearen Inventar und der Umwelt zerstört werden, wie z. B. in Fukushima 2011 [1].

Mit dem Ziel, ähnlich schwere Unfälle in der Zukunft zu vermeiden, soll das vorliegende Forschungsprojekt H2CORisk das wissenschaftliche Verständnis verbessern, indem es neue experimentelle Einblicke in die deflagrativen Verbrennungsprozesse von H2/CO/Luft-Gemischen im Teilcontainment liefert. Konkret sollen mit Hilfe konventioneller und optischer Messtechniken Ergebnisse gewonnen werden, die die Ableitung eines Sigma-Kriteriums für die Flammenbeschleunigung ermöglichen. Darüber hinaus werden die experimentellen Ergebnisse zur Validierung von Simulationsergebnissen verwendet, die mit einem auf OpenFoam basierenden CFD-Code erzeugt werden, der am Lehrstuhl für Thermodynamik der TUM entwickelt wird. H2CORisk ist Teil des KEK-Programms (Kompetenzerhalt in der Kerntechnik an der GRS).

[1] R. Gauntt, D. Kalinich, J. Cardoni, J. Phillips, A. Goldmann, S. Pickering, M. Francis, K. Robb, L. Ott, D. Wang, et al. Fukushima daiichi accident study (status as of april 2012). Sandia National Laboratory Report, SAND2012-6173, Albuquerque, NM, 2012

Projektrahmen: Initiative „Kompetenzerhalt in der Kerntechnik (KEK)“
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz 
Förderkennzeichen: 1501642
Laufzeit: 01.12.2021 - 30.11.2024
Website: Powering Aviation - Professur für Sustainable Future Mobility
Kontakt: Kajetan Planötscher 

• LaBreVer Prüfstand
• ViFlumiLu Prüfstand 
• GraVent Prüfstand

Das Modul "Sustainability in Aviation - Destination Green?" konzentriert sich auf die Bemühungen der Luftfahrtakteure, die Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung (UN-SDG) zu unterstützen, wobei der Schwerpunkt auf Lebenszyklusdenken basierten Klimamaßnahmen liegt. Nach der Besprechung der UN-SDG und ihrer Auswirkungen auf den Luftverkehr werden wir die wissenschaftliche Forschung zu den aktuellen und erwarteten zukünftigen Auswirkungen des Luftverkehrs auf den Klimawandel, z. B. Kondensstreifenbildung, Strahlungsantrieb und lokale Luftqualität bis zum Jahr 2050 und darüber hinaus, zusammenfassen und diskutieren. Dabei wird es eine tiefgehende Einführung in relevante Phänomene der Verbrennungsphysik und -chemie gegeben, wobei keine Vorkenntnisse vorausgesetzt werden. Anschließend werden vielversprechende Optionen zur Reduzierung von Fluglärm und CO2 Emissionen sowie zur Verbesserung der lokalen Luftqualität analysiert, d.h. Technologie, betriebliche Verbesserungen, marktbasierte Maßnahmen und nachhaltige alternative Kraftstoffe.

Mehr Informationen: TUMonline

Alternative Brennstoffe sind ein wichtiger Bestandteil der bestehenden und künftigen Lösungen für die Nachhaltigkeit. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie die Verbrennungsprozesse dieser Kraftstoffe ablaufen und welche Treibhausgase erzeugt werden. Dieser Kurs führt in die Chemie ein, welche erforderlich ist, um dieses Verständnis zu erlangen. Der Kurs beginnt mit den Grundlagen der Thermodynamik, der Brennstoffe und der Chemie (es werden keine Vorkenntnisse in chemischer Kinetik vorausgesetzt) und führt langsam zu einem detaillierten Verständnis der Reaktionen, die bei der Verbrennung der Brennstoffe ablaufen. Die Übungen im Kurs sind so konzipiert, dass sie von den Grundlagen ausgehen und dann zur Einführung und Verwendung von chemisch-kinetischen Werkzeugen, wie RMG (reaction mechanism generator) und Cantera, für die Erstellung und Analyse der Reaktionsmechanismen fortschreiten. Des Weiteren bietet der Kurs in Einführung in die Verbrennungschemie nachhaltiger Flugkraftstoffe, sauerstoffhaltiger Kraftstoffe, Ammoniak, Stickoxiden sowie Aromaten (verantwortlich für Ruß). Am Ende des Kurses sind die Studierenden in der Lage, chemische kinetische Mechanismen zu erstellen und zu reduzieren.

Mehr Informationen: TUMonline