Wasserstoff für zukünftige thermische Motoren

Obwohl das Thema dieses Buches Wasserstoff in Wärmekraftmaschinen ist, sind weder der Brennstoff noch die Motoren zum Zeitpunkt der Veröffentlichung weitgehend kommerziell verfügbar: Es ist auch unwahrscheinlich, dass sich diese Situation vor dem Ende dieses Jahrzehnts ändern wird. Nichtsdestotrotz bezieht sich der Hintergrund dieses Buches auf die Anwendungen, die umgangssprachlich als die „schwer zu dekarbonisieren“ bekannt sind, womit hauptsächlich der Langstreckentransport zu Land (weiter als 500 Meilen oder Mehrschichtrouten), zu Wasser und in der Luft gemeint ist und die mechanische Leistung benötigen, wie sie von einer Wärmekraftmaschine bereitgestellt werden könnte. Dieses einführende Kapitel befasst sich damit, wie schnell, wie weit verbreitet und zu welchen Kosten dieser Brennstoff in diesen Anwendungen in den Jahren bis 2050 und darüber hinaus verwendet werden könnte. Dieses Kapitel beginnt mit einer kurzen Darstellung, wie sich das Verständnis der schädlichen Auswirkungen anthropogener Emissionen von Kohlendioxid, einem wichtigen „Treibhausgas“ (THG), auf das Klima entwickelt hat. Um diese Auswirkungen zu verringern, verfolgen wir als nächstes, wie es zu einem globalen Konsens darüber kam, dass die Emissionen dieser Gase reduziert werden sollten und in welchem Zeitrahmen. Die THG werden durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe zur Energieversorgung einer Vielzahl industrieller Aktivitäten emittiert: Folglich gibt es eine Vielzahl von Fahrplänen und Vorschlägen, wie wirtschaftliche Entwicklung mit dem Schutz der Umwelt in Einklang gebracht werden kann. Dies beinhaltet zumindest die Beseitigung der Emission von THG: vorzugsweise durch den Verzicht, fossile Brennstoffe zu verbrennen. Für die in diesem Buch betrachtete „schwer zu dekarbonisierende“ Anwendung, die überwiegend den Transport betrifft, impliziert dies einen anderen Brennstoff als einen Kohlenwasserstoff: Wasserstoff wurde in einigen Sektoren als möglicher Brennstoff vorgeschlagen. Der Vorschlag impliziert die Notwendigkeit, die ingenieurwissenschaftlichen und technologischen Aspekte der Verbrennung von Wasserstoff zu bewerten, was das Anliegen des restlichen Buches ist. Dieses Kapitel untersucht, welche Anwendungen Wasserstoff nutzen könnten, wie Wasserstoff in dem erforderlichen großen Maßstab hergestellt, verteilt und gespeichert werden kann und zu welchen Kosten. Dies geschieht durch Bezugnahme auf erstens globale Überlegungen und zweitens die jüngsten Pläne, die von zwei „kontinentgroßen“ Volkswirtschaften erstellt wurden. Unser Epilog ist ein warnender, der den Leser an die rasante Entwicklung der Politik in Bezug auf Wasserstoff erinnert, insbesondere in letzter Zeit, und impliziert, dass in Zukunft Entwicklungen wahrscheinlich sind.

Die Reaktionskinetik der Wasserstoffverbrennung wurde bereits in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts intensiv untersucht. Die ersten, zweiten und dritten Explosionsgrenzen wurden entdeckt und mechanistische Erklärungen gegeben. Allerdings sind die feinen Details des Reaktionsmechanismus und die genauen Geschwindigkeitsparameter noch nicht bekannt. Neue Reaktionsschritte wurden sogar in den letzten Jahren vorgeschlagen. Die explosiven und nicht-explosiven Bereiche werden durch eine umgekehrte S-förmige Kurve in der T − p-Ebene getrennt. Das Rückgrat der Kurve entspricht ungefähr der Linie, an der die Raten der Reaktionen H + O₂ → OH + O und H + O₂ + M → HO₂ + M gleich sind. Die Bereiche starker und schwacher Explosionen liegen unterhalb bzw. oberhalb der Rückgratlinie, und diese Bereiche werden jeweils von H/O/OH- und HO₂/H₂O₂-Katalysezyklen dominiert. In einem kleinen Gefäß bilden die Adsorption der Radikale HO₂ und H die oberen und unteren Äste der Kurve. Alle qualitativen Merkmale des Wasserstoffverbrennungssystems können durch einen 10-Schritt-Mechanismus erklärt werden. Hier werden mehrere Websites empfohlen, die umfassende Sammlungen aktueller Wasserstoffverbrennungsmechanismen, direkte und indirekte experimentelle Daten sowie theoretische Bestimmungen enthalten.

Wasserstoff verspricht großes Potenzial als chemischer Energieträger für den Transport und die Speicherung erneuerbarer Energie. Für die Nutzung von Wasserstoff bietet die thermochemische Energiewandlung zur Erzeugung von Elektrizität, mechanischer Energie oder Hochtemperaturwärme viele Vorteile, wie Robustheit, Vielseitigkeit und Flexibilität. Wasserstoff unterscheidet sich jedoch stark von den üblicherweise verwendeten Kohlenwasserstoffbrennstoffen. Aufgrund seiner speziellen chemischen und molekularen Transporteigenschaften weist er ein sehr eigenartiges Verbrennungsverhalten auf, das durch besonders hohe Flammengeschwindigkeiten, die etwa um den Faktor zehn größer sind als bei Methan, und durch das Auftreten intrinsischer Flammeninstabilitäten bei magerer Vormischverbrennung gekennzeichnet ist, die die Flammenstruktur, -oberfläche und -dynamik erheblich verändern können. Der Schwerpunkt dieses Kapitels liegt auf diesen beiden Aspekten im Kontext von laminaren Flammen. Zunächst werden die Gründe für die besonders hohen ungestreckten laminaren Flammengeschwindigkeiten erklärt, gefolgt von einer Diskussion über die Auswirkungen der Flammenstreckung. Der Hauptteil des Kapitels befasst sich mit den intrinsischen Flammeninstabilitäten, einschließlich sowohl hydrodynamischer als auch thermodiffusiver Instabilitäten und deren Zusammenspiel, die im Hinblick auf Theorie, experimentelle Nachweise, numerische Simulationen und Modellierung diskutiert werden.

Dies ist ein einführendes Kapitel für Anfänger auf dem Gebiet der turbulenten Verbrennung von Wasserstoff als Vormisch- oder Diffusionsflammen. Für turbulente Wasserstoff-Diffusionsflammen werden globale Merkmale wie Ablösungs- und Abblasgeschwindigkeiten sowie Flammenlänge zusammen mit detaillierten Messungen von Temperatur und Massenanteilen der Spezies vorgestellt. Für turbulente Vormischflammen von Wasserstoff werden aktuelle Messungen der Flammengeschwindigkeiten und Reaktionszonendicken für eine Reihe von Bedingungen innerhalb des Vormischflammenregimes gezeigt. Detaillierte Messungen der Zusammensetzungsstruktur sind jedoch selten und stehen noch aus. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion potenzieller Ansätze zur Modellierung von Differenzialdiffusionseffekten, die nach wie vor eine kritische Herausforderung darstellen, um das Wiederaufleben von turbulenten mageren Vormischflammen von Wasserstoff in modernen Energieumwandlungssystemen zu erleichtern.

Dieses Kapitel bietet einen Überblick über \(\textrm{H}_{2}\)-Zündungs- und sicherheitsrelevante Fragen, die bei der Entwicklung zukünftiger \(\textrm{H}_{2}\)-Wärmekraftmaschinen zu berücksichtigen sind. Grundlagen der \(\textrm{H}_{2}\)-Zündphänomene werden im ersten Teil behandelt, einschließlich der bekannten verzweigten Radikalkettenreaktionen, die von Semenov & Hinshelwood beschrieben wurden, sowie nützlicher analytischer Ableitungen von Induktionsverzögerungszeiten. Der zweite Teil bietet einen Überblick über klassische kanonische Grenzprobleme, einschließlich des Explosionsgrenzdiagramms (p, T), der Ausbreitungsgrenzen sowohl von Deflagrationen als auch von Detonationen und von Schock- oder thermisch induzierten Zündungen. Die beiden verbleibenden Teile behandeln zwei gegensätzliche, aber komplementäre Fragen: wie man einen \(\textrm{H}_{2}\)-Motor zündet und wie man gefährliche \(\textrm{H}_{2}\)-Zündungen verhindert. Im ersteren Fall wird eine Liste verfügbarer Technologien vorgestellt, während im letzteren Fall vereinfachte Modelle präsentiert werden, um Zündgefahren aus numerischen Kaltströmungssimulationen vorherzusagen.

Wasserstoff weist besondere Brenneigenschaften auf, wie z. B. eine schnelle laminare und damit turbulente Flammengeschwindigkeit sowie eine breite Entflammbarkeitsgrenze. Aufgrund dieser Eigenschaften könnten die bestehenden numerischen Modelle, die z. B. für Erdgas oder Brennstoffe mit der Annahme einer einheitlichen Lewis-Zahl entwickelt wurden, eingeschränkt oder sogar unbrauchbar sein. Dieses Kapitel diskutiert die Modelle für turbulente Flammengeschwindigkeit und lokale Verschiebung der Geschwindigkeit von reinen mageren Wasserstoff-Vormischflammen, insbesondere für ein breites Spektrum an Turbulenzniveaus. Darüber hinaus wird die Vorhersagefähigkeit der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF)-Modellierung, die das weit verbreitete laminare Flammenkonzept für Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS) oder Large-Eddy-Simulation (LES)-Ansätze übernimmt, a priori anhand eines Satzes modernster direkter numerischer Simulationsdaten (DNS) bewertet. Die allgemeine Schlussfolgerung legt nahe, dass der Hauptturbulenzparameter, der die turbulente Flammengeschwindigkeit bestimmt, die Größe der energiereichsten Wirbel ist und nicht dimensionslose Zahlen wie Reynolds- (Re) oder Karlovitz-Zahlen (Ka). Die Modelle für die lokale Verschiebung der Geschwindigkeit legen ebenfalls nahe, dass ein Modell, das für ein moderates Turbulenzniveau entwickelt wurde (Ka \(\approx O(10)\)), Flammen mit Ka \(> O\)(1.000) gut vorhersagt. Die PDF-Modellierung unter Verwendung des Flammenkonzepts wird bis zu Ka \(> O(100)\) bewertet, wobei die Massenanteile der Hauptspezies vernünftig gut vorhergesagt werden.

Stationäre Verbrennungssysteme sind eine weit verbreitete Technologie in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen. Um ihren Energiebedarf zu decken, verlässt sich die Industrie hauptsächlich auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe und wird so zu einem bedeutenden Verursacher der globalen Kohlendioxidemissionen. Aus diesem Grund ist die Dekarbonisierung hoch energieintensiver Industriesektoren von strategischer Bedeutung im Kampf gegen den Klimawandel. Die Einführung von Wasserstoff als kohlenstofffreier Brennstoff zur Ersetzung fossiler Quellen erscheint als attraktive Lösung, um den CO2-Fußabdruck stationärer Verbrennungssysteme zu reduzieren, aber viele technische Herausforderungen müssen angegangen werden und waren in den letzten Jahren Gegenstand umfangreicher Forschung. Ziel dieses Kapitels ist es, den aktuellen Stand der Wasserstoffverbrennung in stationären Verbrennungssystemen aus experimenteller und numerischer Perspektive zu überprüfen. Insbesondere werden die Eigenschaften von Wasserstoff und wasserstoffangereicherten Brennstoffen analysiert, die von Laborbrennern, in denen innovative Konzepte bewertet werden können, bis hin zu quasi-industriellen und großindustriellen Anwendungen reichen. Die wichtigsten numerischen Ansätze zur Modellierung der Wasserstoffverbrennung werden ebenfalls beschrieben. Abschließend werden Forschungstrends und zukünftige Richtungen identifiziert, mit besonderem Fokus auf innovative Konzepte wie maschinelles Lernen und digitale Zwillinge, die eine spannende Gelegenheit für neue Ansätze im Design stationärer Verbrennungssysteme darstellen können.

Wasserstoff wird am einfachsten als Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor in einem Ottomotor verwendet. Dieses Kapitel beginnt mit den Eigenschaften von Wasserstoff und Wasserstoffgemischen, um die verschiedenen Optionen für den Betrieb von Ottomotoren mit Wasserstoff darzustellen, wobei die Leistungsdichte, Emissionen und Wirkungsgrad überprüft werden. Dies wird dann mit der vergangenen und gegenwärtigen Forschung und Entwicklung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen verknüpft, bevor mit den vielversprechendsten aufstrebenden Märkten abgeschlossen wird.

Der Kompressionszündungsmotor (CI) ist seit mehreren Jahrzehnten das Arbeitspferd der globalen Wirtschaft. Aufgrund der Notwendigkeit, den globalen Klimawandel zu bekämpfen, hängt das langfristige Überleben des CI-Motors jedoch von seiner Fähigkeit ab, mit alternativen kohlenstoffneutralen Kraftstoffen zu arbeiten. Wasserstoff hat ausgezeichnete Verbrennungseigenschaften, die ihn für den Einsatz in CI-Motoren geeignet machen. Er hat jedoch eine hohe Selbstzündungstemperatur, die seinen Betrieb als Sekundärbrennstoff in einem Zweistoffmotor einschränkt, es sei denn, es ist eine Zündquelle wie eine Glühkerze vorhanden. Wasserstoff-Zweistoff-CI-Motoren zeigen dieselähnliche Verbrennungseigenschaften und sind weniger anfällig für den Verlust der Kontrolle des Verbrennungsprozessesg bei hohen Lasten oder das Auftreten von abnormalen Verbrennungsereignissen, die häufig in Wasserstoff-Fremdzündungsmotoren auftreten. Die größte Herausforderung bei der Implementierung von Wasserstoff-Zweistoffmotoren ist die hohe Verbrennungstemperatur, die zur Produktion von hohen Stickoxidemissionen (NO_x) führt, die mit Nachbehandlungstechnologien behandelt werden müssen. Nichtsdestotrotz sind Wasserstoff-Zweistoff-CI-Motoren eine kostengünstige und ausgereifte Technologie, die die Kohlenstoffemissionen erheblich reduzieren kann. In den letzten Jahrzehnten wurde umfangreiche Forschung zur Anpassung dieser Technologie als mittelfristige Dekarbonisierungslösung durchgeführt.

Die Entwicklung von Gasturbinen, die 100 % Wasserstoff als Brennstoff verwenden, ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Entwicklung neuer Energie- und Antriebstechnologien mit kohlenstofffreien Brennstoffen. Dieses Kapitel überprüft einige Elemente der Verbrennungswissenschaft und -technik, die bei diesen Entwicklungen helfen können. Stabile und NO\(_{x}\)-arme Wasserstoffbrenner stehen vor erheblichen Herausforderungen. Die Stabilisierung der Flamme an der richtigen Stelle ohne Selbstzündung oder Rückschlag, mit niedriger NO\(_{x}\)-Produktion und ohne thermoakustische Schwingungen ist wichtig zu erreichen. Einige neue Brennerdesigns, die diese Anforderungen erfüllen, werden überprüft. Die Bedeutung der Mischhistorie wird betont und einige neuartige Werkzeuge, die zur Bewertung der Auswirkungen der Mischung auf NO\(_{x}\) verwendet werden können, werden diskutiert.

Die plasmaunterstützte Wasserstoffverbrennung ist eine vielversprechende Technik in der Entwicklung von fortschrittlichen Wärmekraftmaschinen. Dieses Kapitel präsentiert aktuelle Studien und Fortschritte im Verständnis des Mechanismus und der Anwendung der plasmaunterstützten Wasserstoffverbrennung. Zunächst werden die Chemie und Dynamik der plasmaunterstützten Wasserstoffverbrennung analysiert. Zweitens werden die Anwendungen der plasmaunterstützten Wasserstoffverbrennung in fortschrittlichen Motoren vorgestellt. Schließlich werden die Zusammenfassung und zukünftige Forschung zur plasmaunterstützten Wasserstoffverbrennung in fortschrittlichen Wärmemotoren diskutiert.

Wasserstoff ist einer der attraktivsten alternativen Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren (IC), da er kein Kohlendioxid (CO₂) oder andere Treibhausgase produziert. Es gibt jedoch einige Herausforderungen im Zusammenhang mit der Wasserstoffverbrennung in Verbrennungsmotoren. Wenn ein Verbrennungsmotor mit durch den Einlasskanal zugeführtem Wasserstoff betrieben wird, kann die Verbrennung vor der Zündkerzenzündung (SI) beginnen. Dies wird als Rückzündung bezeichnet und bezieht sich auf den Beginn der Verbrennung während des Verdichtungsprozesses. Darüber hinaus wird der als Rückzündung bezeichnete Prozess beobachtet, der sich auf den Beginn der Verbrennung während des Ansaugprozesses bezieht. Auch das Verringern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen, kann zu Motorklopfen führen, was bei indirekten Einspritz-SI-Motoren und CI-Motoren auftreten kann. Während eines klopfenden Verbrennungsprozesses kann es aufgrund der turbulenten Flammenausbreitung nach der Zündung zu einer Selbstzündung im Abgasbereich kommen. Ein solcher Selbstzündungsprozess des Abgases erzeugt Druckwellen und hochfrequente Schwingungen des Zylinderdrucks. Diese Selbstzündung und Druckwellen können dazu führen, dass die thermische Grenzschicht in der Nähe der Zylinderwand und des Kolbenkopfes zusammenbricht, was zu Schäden an der Zylinderwand und am Kolbenkopf führen kann. In diesem Kapitel werden Frühzündung/Rückzündung und klopfende Verbrennung von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren im Detail erklärt.

Energieversorgungssicherheit, der rasche Abbau der Rohölreserven und strenge Emissionsnormen erfordern sauberere und effizientere Verbrennungstechnologien für Motoren. Fortschrittliche Niedertemperatur-Verbrennungsregime (LTC) wie HCCI, RCCI usw. haben einen verbesserten effektiven Wirkungsgrad und eine gleichzeitige Reduktion von NO_x und Rußemissionen gezeigt. Diese Verbrennungsregime sind kraftstoffflexibel. Die Eigenschaften von Wasserstoff (wie breitere Zündgrenzen, höhere laminare und turbulente Brenngeschwindigkeiten und bessere Flammenstabilität) und seine verbesserte Leistung motivieren seine Anwendung in LTC-Motoren. Wasserstoff kann effektiv als Kraftstoff in CI-Motoren mit fortschrittlichen LTC-Strategien verwendet werden. Dieses Kapitel stellt die Eigenschaften von wasserstoffbetriebenen konventionellen Zweistoff-, HCCI- und RCCI-Motoren vor. Zuerst wird die Kraftstoffeinspritzstrategie für konventionelle Zweistoff-, HCCI- und RCCI-Verbrennungsmodi diskutiert. Zweitens wird eine detaillierte Analyse der Leistungsmerkmale (einschließlich spezifischem Kraftstoffverbrauch, effektiver Wirkungsgrad), der Verbrennung (einschließlich Zündverzugszeit, Wärmefreisetzungsrate, Verbrennungsphasen und -dauer, Klingelintensität) und der Emissionen (einschließlich NO_x, Ruß, CO und HC) präsentiert. Schließlich werden die Herausforderungen im Zusammenhang mit Wasserstoff in HCCI- und Zweistoffmotoren sowie die zukünftigen Perspektiven von Wasserstoff mit LTC-Motoren ebenfalls diskutiert.

Dieses Kapitel bietet kurze Beschreibungen der Triebwerken/Antriebssysteme, in denen detonative Verbrennung zur Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrads eingesetzt werden kann. Pulsierende Detonation (PD) und kontinuierlich rotierende Detonation (CRD) Antriebssysteme bieten die höchste Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrads sowie Reduzierung der Größe und -gewichts der Antriebssysteme. Da PD auch ein hohes Maß an Lärm und Vibrationen erzeugt, ist die wahrscheinlichste Anwendung solcher Triebwerke für den Antrieb von unbemannten Fahrzeugen und insbesondere für die Attitude Control Systems auf Satelliten und sogar auf Raumstationen, wo die Produktion von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff mittels Wasserelektrolyse erreicht werden kann. Die vielversprechendste Anwendung ist jedoch die Anwendung der CRD auf alle Arten von Antrieben, von luftatmenden Gasturbinen und Turbojet-Triebwerken bis hin zu Raketen und kombinierten Zyklus-Antriebssystemen. Zusätzlich werden in diesem Kapitel auch numerische Modellierungen zur Untersuchung von Methoden zur Verbesserung der Gemischbildung, Detonationsinitiierung und Struktur von rotierenden Detonationswellen in verschiedenen Geometrien sowie zur Berechnung des Druckgewinns in der Detonationskammer und des mechanischen Wirkungsgrads vorgestellt. Auch die Vorteile der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff in solchen Antriebssystemen werden diskutiert und erste verfügbare Ergebnisse der Anwendung von Wasserstoff in zukünftigen Antriebssystemen werden präsentiert und diskutiert.