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388 gwf-Gas | Erdgas 6/2015

Forschung und LehreFACHBERICHTE

Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Jahre 2014DVGW-Forschungsstelle am EBI, Forschungsstelle für Brandschutztechnik und TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser

Harald Horn, Thomas Kolb, Dimosthenis Trimis und Josef Klinger

Tätigkeitsbericht, Forschung und Lehre, Ausbildung, Weiterbildung

Dieser Bericht soll einen Überblick über aktuelle Entwicklungen und Aktivitäten im Jahr 2014 am Engler-Bunte-Institut, der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut sowie der Forschungsstelle für Brandschutztechnik ermöglichen. Ebenso wird über das aus dem Engler-Bunte-Institut hervorgegangene TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser berichtet. Wie in den vergangenen Jahren erscheinen die gasspezifischen Beiträge im gwf-Gas | Erdgas und die wasserspezifischen Beiträge im gwf-Wasser | Abwasser. Im Mittelpunkt des Berichtes steht die Entwicklung der oben angegebenen Ein-richtungen im Jahr 2014 mit Beiträgen aus der universitären Lehre, der Ausbildung und Weiterbildung, über Forschungs- und Entwicklungsprojekte, über Beratung und Firmenkontakte sowie sonstige Aktivitäten. Der Bericht streift ebenso die Entwicklung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Karlsruhe Institute of TechnologyThis report aims at giving an overview about actual developments and activities of the Engler-Bunte-Institute, the DVGW-Research Center, the Research Center of Fire Protection Technology and TZW: the DVGW Technology Center which developed from the Engler-Bunte-Institute. As usual, the gas related parts can be found in gwf-Gas/Erdgas and the water related parts in gwf-Wasser/Abwasser. The report highlights academic teaching, courses and advanced education, and focuses on scientific research and development projects, on consulting and contacts to business companies as well as on other activities. The report also refers to the latest development of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Zur Geschichte und zum UmfeldDas Engler-Bunte-Institut am Karlsruher Institut für Tech-nologie ist hervorgegangen aus der 1907 gegründeten ehemaligen „Lehr- und Versuchsgasanstalt“ und führt seit 1971 den Namen „Engler-Bunte-Institut“. Die enge Verbindung zur Praxis des Gas- und Wasserfaches äußert sich darin, dass die jeweiligen Lehrstuhlinhaber, gegen-wärtig „Chemische Energieträger – Brennstofftechnolo-gie“, „Verbrennungstechnik“ und „Wasserchemie und Wassertechnologie“ auch in Personalunion Leiter der fachlich entsprechenden Bereiche einer Forschungsstelle des DVGW im Engler-Bunte-Institut sind.

Das Karlsruher Institut für Technologie, KIT ist eine Universität des Landes Baden-Württemberg und ein natio-

nales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren, HGF. Dabei positioniert sich das KIT entlang der drei strategischen Felder Forschung, Lehre und Innovation. Im Mai 2014 wurde unter Feder-führung von KIT-Präsident Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka das einjährige Strategieentwicklungsprojekt KIT 2025 gestartet. Im Dialog mit den KIT-Bereichen, den KIT-Gremien, aus-gewählten KIT-Mitgliedern sowie externen Experten entwickelt das Präsidium eine Dachstrategie für das KIT mit der Perspektive 2025.

Das Engler-Bunte-Institut ist wichtiger Teil des KIT- Zentrums Energie für die Bereiche Energieumwandlung und Erneuerbare Energien sowie des KIT-Zentrums Klima und Umwelt im Bereich Wasserchemie und Wassertechnologie.

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Forschung und Lehre FACHBERICHTE

Die zahlreichen Forschungsprojekte aus dem Gas- und Verbrennungsfach sowie dem Wasserfach zeugen von der nationalen und internationalen Bedeutung der Lehrstühle und der Praxisnähe der ihnen zugeordneten Laboratorien und Technologieeinheiten.

Das EU-Großprojekt KIC InnoEnergy (KIC: Knowledge & Innovation Community) arbeitet mit starker Beteiligung der DVGW Forschungsstelle, DVGW-EBI gt und des Engler-Bunte-Instituts, EBI ceb. Im Rahmen des Projektes „DemoSNG“ wurde durch ein internationales Konsortium unter Leitung der DVGW Forschungsstelle die SNG-Prozesskette von der Biomassevergasung über die Heißgasreinigung bis hin zur katalytischen Methanisierung im Demomaßstab aufgebaut. Das von DVGW-EBI gt / EBI ceb errichtete Containermodul zur Methanisierung in metallischen Wabenkörpern wurde nach seiner Fertigstellung in Karlsruhe erfolgreich in Betrieb genom-men, anschließend nach Schweden transportiert, und dort mit einer Biomassevergasungsanlage gekoppelt. Die finale Inbe-triebnahme des Demo-Anlagenverbunds steht kurz bevor.

Das im April 2014 mit acht europäischen Partnern gestartete EU-Projekt HELMETH zum Thema Power to Gas über integrierte Hochtemperaturelektrolyse und Me-thanisierung wird vom Lehrstuhl „Verbrennungstechnik“ geleitet unter Beteiligung von Kollegen des Lehrstuhls „Chemische Energieträger – Brennstofftechnologie“ sowie der DVGW-Forschungsstelle.

Weiterhin gibt es innerhalb des EBI das vom BMBF geförderte Projekt AG-HiPreFer (Autogenerative Two-Phase High Pressure Fermentation – Integrative Biogaserzeugung und Aufbereitung zur Einspeisung in Hochdruck-Erdgas-netze), an dem die Kollegen der Bereiche „Gastechnologie“ und „Wasserchemie und -technologie“ zusammenarbeiten. Bei diesem Projekt wird das gemeinsam mit der Universität Hohenheim entwickelte Verfahren der Druckfermentation weiter optimiert und für Erzeugungsdrücke deutlich größer als 10 bar entwickelt.

Ein großes Forschungsprogramm, das 2014 weitest-gehend abgeschlossen wurde, bildet die „Innovations-offensive Gastechnologie“ des DVGW, an dem die DVGW-Forschungsstelle wesentlich beteiligt war. Im Rahmen von 34 Forschungsvorhaben wurden die Chancen und Möglich-keiten der leitungsbasierten Gasversorgung und -nutzung im Kontext der Energiewende untersucht.

Darüber hinaus arbeiten die drei Bereiche des Engler-Bunte-Instituts in zahlreichen Verbund-Großprojekten an maßgeblicher Stelle mit, z. B. DFG-Forschergruppe „Zünd-prozesse“, DFG-Verbundprojekt „Verbrennungslärm“. Zu den Forschungsaktivitäten und laufenden Projekten finden Sie detaillierte Angaben auf den nächsten Seiten.

Die aus der Praxis entstehenden Fragestellungen werden vor allem in der DVGW-Forschungsstelle, der Abteilung Gas-technologie, dem Prüflaboratorium Gas und der Forschungs-stelle für Brandschutztechnik bearbeitet. Das DVGW-

Technologiezentrum Wasser mit seiner Kompetenz in Analytik, Aufbereitung, Ressourcenschutz, Korrosion, Verteilungsnetze, Umweltbiotechnologie und Prüfstelle Wasser arbeitet intensiv mit Wasserversorgungsunternehmen, Firmen, Behörden und Verbänden zusammen. Aktuell sind am TZW an mehreren Standorten fast 200 Mitarbeiter tätig.

Viele der Projekte wurden und werden durch Institu-tionen wie der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), der Helmholtz Gemeinschaft Deutscher Forschungs-zentren (HGF), der Arbeitsgemeinschaft industrieller For-schungsvereinigungen (AIF), der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), der Europäischen Kommission und anderen Drittmittelgebern des Bundes und des Landes gefördert. Ein erheblicher Anteil wird aber auch durch Forschungs-aufträge aus Industrie und Unternehmen finanziert. Schließlich trugen Stiftungen und gemeinnützige Förder-vereinigungen zur Umsetzung so mancher Forschungs-idee bei. Ein besonderer Partner ist hierbei die Gesell-schaft der Freunde des Engler-Bunte-Instituts, die das Institut insbesondere bei unerwartet auftretenden Schwierig-keiten großzügig unterstützt.

Die Ergebnisse der zahlreichen Forschungsprojekte sind in einer beachtlichen Zahl von Publikationen doku-mentiert, die zum großen Teil in den führenden inter-nationalen Fachjournalen nach strenger Begutachtung erschienen sind. Die Verzeichnisse sind den Berichten der einzelnen Bereiche zu entnehmen.

Die beiden Bachelor- und Master-Studiengänge „Bioinge-nieur wesen“ und „Chemieingenieurwesen und Verfahrens-technik“ erfreuen sich weiterhin hoher Attrak tivität bei den Studierenden. Im Rahmen der Studien gänge „Chemie-ingenieurwesen und Verfahrenstechnik“ und „Bioingenieur-wesen“ beteiligt sich das Engler-Bunte- Institut in der Grundausbildung und bietet in den Bereichen Brennstoffe, Energieverfahrenstechnik, Verbrennung und Wasserchemie/ Wassertechnologie eine Reihe von Hauptfächern, Ver-tiefungsrichtungen und Profilfächern an. Dabei wurden auch von Mitarbeitern des TZW Vorlesungen zu aus-gewählten Fachgebieten gehalten.

Die 2013 begonnenen Master-Studiengänge ent wickeln sich sehr gut. Der interfakultative, im Rahmen der KIT School of Energy geführte Studiengang „Energietechnik“, den die Lehrstühle des Engler-Bunte-Instituts wesentlich mitge-stalten, gewinnt an Attraktivität. Der internationale Master-Studiengang im Rahmen des KIC InnoEnergy ist etabliert.

Neben der Studierenden- und Doktorandenausbildung stand wie immer auch die Weiterbildung der bereits im Beruf stehenden Fachleute auf dem Programm. 2014 wurde der Gaskurs, ebenso wie der jährliche Erfahrungsaustausch der Chemiker und Ingenieure des Gasfachs, wieder sehr erfolgreich durchgeführt.



Am TZW wurden mehrere Veranstaltungen insbesondere zum Know-how-Transfer „aus der Praxis für die Praxis“ durchgeführt.

Auch das Jahr 2014 hat gezeigt, dass das Engler-Bunte-Institut mit seinen Lehrstühlen, Prüfstellen und der DVGW-Forschungsstelle sowie das DVGW-Technologiezentrum Wasser gut aufgestellt sind. Neu eingeworbene For-schungsprojekte weiten die Kooperationen innerhalb Deutschlands und international aus.

Der Leiter der Forschungsstelle für Brandschutztechnik, Dieter Brein, ist zum 31.08.2014 in den Ruhestand getreten. Dr. Dietmar Schelb hat seine Nachfolge angetreten.

Der folgende Tätigkeitsbericht enthält Beiträge der einzelnen Bereiche des Engler-Bunte-Instituts und des TZW: DVGW-Technologiezentrums Wasser. Weitere und ausführliche Informationen sind auch im Internet auf den Seiten des Instituts und der einzelnen Bereiche sowie des TZW zu finden.

1. Aktivitäten des Bereiches Chemische Energieträger – Brennstofftechnologie und des Bereichs Gastechnologie der DVGW-Forschungsstelle

Prof. Dr.-Ing. Thomas Kolb, Prof. Dr.-Ing. Georg Schaub, Prof. Dr.-Ing. Rainer Reimert (entpflichtet)Akad. Oberrat Dr.-Ing. Siegfried Bajohr, Dr.-Ing. Frank Graf

1.1 Lehre und ForschungDer Bereich Chemische Energieträger – Brennstofftech-nologie, EBI ceb, befasst sich in Lehre und Forschung mit der Verfahrenstechnik und der Chemie der Brennstoff-umwandlung und -aufbereitung.

Die Forschungsarbeiten des EBI ceb konzentrieren sich auf die Erzeugung hochwertiger chemischer Ener-gieträger aus fossilen und biogenen Brennstoffen durch thermochemische Prozesse, insbesondere Vergasung bei hohem Druck, die Synthese von Brennstoffen über che-misch katalytische und biologische Prozesse sowie die Aufbereitung von Brenngasen. Weitere Arbeitsschwer-punkte sind neue Bio-Brennstoffe und die Nutzung che-mischer Energieträger als Energiespeicher.

Die grundlagenorientierten F&E-Arbeiten des EBI ceb werden ergänzt durch die Arbeiten zur Flugstromverga-sung der Abteilung Vergasungstechnologie am Institut für Technische Chemie, ITC vgt, am Campus Nord des KIT. Durch die enge Verbindung zwischen EBI ceb und ITC vgt werden die großen Forschungseinrichtungen des Cam-pus Nord verstärkt auch für die Ausbildung der Studie-renden genutzt.

Der dem EBI ceb angeschlossene Bereich Gastechnolo-gie der DVGW-Forschungsstelle am EBI befasst sich in For-schung und Anwendung mit der Technik und den Verfah-ren der Gaserzeugung, -verteilung und -verwendung. Die enge thematische Verknüpfung von EBI ceb und DVGW-EBI gt ermöglicht die Bearbeitung von Forschungsthemen von den Grundlagen bis zur technischen Anwendung.

2014 wurden mehrere Verbundprojekte mit Beteili-gung bzw. unter Leitung des EBI ceb, des Bereichs Gas-technologie der DVGW Forschungsstelle, DVGW-EBI gt und des ITC vgt bearbeitet. Zu nennen sind u.a.:

■ Helmholtz Energieallianz „Technologien für das zu-künftige Energienetz”

■ EU-Projekt CO2FreeSNG2.0 „Advanced Natural Gas from Coal with Internal Sequestration of CO2”

■ BMBF-Projekt „Autogenerative Two-Phase High Pres-sure Fermentation, AG-HiPreFer”: Integrative Biogas-erzeugung und Aufbereitung zur Einspeisung in Hochdruck-Erdgasnetze

■ KIC InnoEnergy-Projekt „DemoSNG” ■ BW-Forschungsprojekt „Einsatz der biologischen Me-

thanisierung für PtG-Konzepte” − Teilprojekt 3: Entwicklung eines innovativen Gas-

aufbereitungsverfahrens auf Basis von ionischen Flüssigkeiten

− Teilprojekt 4: Prozess- u. Systemanalyse

Mit diesen neuen Projekten und den bereits laufenden Forschungsarbeiten in den Bereichen Biogaserzeugung über Fermentation, Biomassevergasung, Wasserstoffer-zeugung mittels Mikro-Algen, Fischer-Tropsch-Synthese, Carbonitrieren sowie den Forschungsaktivitäten des Bereichs Gastechnologie in der „Innovationsoffensive Gastechnologie“ des DVGW ist der Bereich EBI ceb sehr stark in die Forschung zur Energiewende eingebunden. Die am EBI ceb bearbeiteten Forschungsschwerpunkte „Energetische Nutzung biogener Brennstoffe“, „Energie-speicher über chemische Energieträger“, „Power to Gas, PtG“ und „Energie effiziente Prozesse“ tragen wesentlich zur Ent-wicklung einer stabilen zukünftigen Energieversorgung bei.

In der Lehre vertritt das EBI ceb die Hauptfächer im Diplomstudiengang sowie Vertiefungsfächer des Master-studiengangs der Fakultät CIW/VT:

■ Chemische Energieträger - Brennstofftechnologie ■ Energie-Verfahrenstechnik (zusammen mit EBI vbt):

Richtung Brennstoffe, Verbrennung und Umwelt.

Neben den „klassischen“ Gebieten der Brennstofftechnik und -chemie, die sich mit fossilen und erneuerbaren Brennstoffen befassen, deckt der Bereich auch einen Teil der Grundlagenlehre für die Fakultät Chemieingenieur-wesen/Verfahrenstechnik, CIW/VT, ab. Zu nennen sind



hier die Vorlesungen „Prozess- und Anlagentechnik“, „Or-ganisch-chemische Prozesskunde“ und „Einführung in das Life-Science-Engineering“ sowie diverse Praktika und Exkursionen für die Studienrichtungen Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen. In Kooperation mit EBI vbt ist EBI ceb verantwortlich für die Vorlesung „Energiever-fahrenstechnik“ und das Profilfach „Energieverfahrens-technik“ für den Bachelor-Studiengang.

EBI ceb trägt darüber hinaus in verschiedenen eng-lischsprachigen Studiengängen des KIT durch Vorlesun-gen und Praktika sowie in koordinierender Funktion bei. Hier sind zu nennen: der Master-Studiengang EnTech im Rahmen des EU-Projektes KIC InnoEnergy, der Energie-Master-Studiengang im Bereich der KIT School of Energy sowie die Weiterbildung von Bachelor-Ingenieuren mit Industrieerfahrung im Rahmen der HECTOR School.

DissertationenIm Jahr 2014 wurden die folgenden Dissertationen fertig-gestellt:

■ Manuel Götz: Methanisierung im 3-Phasen-Reaktor (Prof. Dr.-Ing. Rainer Reimert, Prof. Dr. Roland Dittmeyer)

■ Anette Franz: Wasserstoff-Erzeugung mit Mikroalgen – Prozessstu-dien zur Dynamik von Wachstum, Produkterzeugung und Produktgasbehandlung (Prof. Dr.-Ing. Georg Schaub, Prof. Dr.-Ing. Clemens Posten).

Preise und AuszeichnungenIm Jahr 2014 erhielten Mitarbeiter des Bereiches die fol-genden Preise und Auszeichnungen:

■ Dominik Schollenberger: Ausgezeichnet mit dem DVGW-Studienpreis für seine Diplomarbeit „Nutzung von Wabenreaktoren zur Methanisierung bei PtG-Prozessen“. Die feierliche Preisverleihung fand im Rah-men der Gasfachlichen Aussprachetagung 2014 in Karlsruhe statt (Bild 1.1)

1.2 Laufende wissenschaftliche ArbeitenFlugstromvergasung von hochviskosen Suspensionsbrennstoffen

Dipl.-Ing. Philipp StoesserDipl.-Ing. Andreas Müller

Im Rahmen der Helmholtz-Programme REUN und EE sowie des Helmholtz Virtual Institute for Gasification Technology (HVIGasTech) werden in der Abteilung Ver-gasungstechnologie am ITC vgt Forschungsarbeiten zur Druck-Flugstromvergasung durchgeführt. In dem bei Umgebungsdruck betriebenen Technikumsvergaser REGA werden dazu Modellbrennstoffe sowie technische Brennstoffsuspensionen (Slurries) aus der Pyrolyse von

Rest-Biomasse, vor allem aus Stroh, umgesetzt und die Abhängigkeit der Synthesegasqualität von den Prozesspa-rametern sowie den Brennstoffspezifikationen bewertet.

Begleitend werden die eingesetzten Festbrennstoffe am EBI ceb bzgl. ihrer für die Vergasung relevanten physi-kalischen, chemischen sowie reaktionstechnischen Ei-genschaften charakterisiert. Hierfür werden verschiedene biogene und fossile Festbrennstoffe auf ihre chemische Zusammensetzung, Oberfläche, Struktur sowie Reaktivi-tät untersucht.

Bild 1.1: Verleihung des DVGW-Studienpreises 2014 bei der Gasfachlichen Aus-sprachetagung (GAT) in Karlsruhe

Bild 1.3: Magnetschwebewaage zur Hochdruck-Thermogravimetrie

Bild 1.2: Hochtemperatur-Fallrohrre-aktor



Die experimentelle Ausstattung für grundlegende Untersuchungen der Brennstoffkonversion im Verga-sungsreaktor wurde um einen atmosphärischen Hoch-temperatur-Fallrohrreaktor erweitert (Bild 1.2). In die-sem werden Pyrolyse- und Vergasungsuntersuchungen von Brennstoffen bei Temperaturen von bis zu 1700 °C bei hohen Aufheizraten und kurzen Verweilzeiten durchgeführt. Somit kann die Brennstoffumsetzung bei technisch relevanten Bedingungen untersucht werden.

In diesem Temperaturbereich ist vor allem die Verände-rung der chemischen und physikalischen Brennstoffei-genschaften durch die Pyrolyse und die Überlagerung von Stofftransportvorgängen und Reaktionskinetik bei der Vergasung ein Schwerpunkt der Untersuchungen.

Um die für die Hochdruck-Flugstromvergasung wichtige intrinsische Reaktionskinetik der heterogenen Vergasungsreaktionen bei hohem Druck zu messen, wurden mit der Hochdruck-Thermowaage (Bild 1.3) umfangreiche Studien zur Reaktionskinetik bei hohem Druck durchgeführt. Dabei wurde sowohl die Kinetik der Boudouard-Reaktion, als auch die Kinetik der hete-rogenen Wassergasreaktion, sowie die Hemmung von Kohlenstoffmonoxid bzw. Wasserstoff auf die jeweilige Reaktion untersucht. Ein wire-mesh Reaktor, mit dem Pyrolyse und Vergasung bei kurzen Aufheizzeiten und unter erhöhtem Druck untersucht werden können, ist z. Zt. Im Aufbau.

Zerstäubung von rheologisch komplexen Fluiden bei erhöhtem Reaktordruck

Dipl.-Ing. Alexander SängerDipl.-Ing. Tobias Jakobs

Im Rahmen des Helmholtz-Programms REUN wird am ITC vgt die Zerstäubung rheologisch komplexer Fluide (hochviskos, nicht-Newtonisch) bei atmosphärischen und Überdruckbedingungen untersucht. Ziel der Forschungs-arbeiten ist die Optimierung des Flugstromvergasungs-prozesses basierend auf der modelltechnischen Beschrei-bung des Zerstäubungsprozesses unter für die Flug-stromvergasung relevanten Betriebsbedingungen.

Im Jahr 2014 konzentrierten sich die Forschungsar-beiten auf den Einfluss der Flüssigviskosität auf die Sprayqualität bei der Zerstäubung Newtonscher und nicht-Newtonscher Fluide mittels einer außenmischen-den Zweistoffdüse. Hierzu wurde die Sprayqualität (Trop-fengrößenverteilung) mittels einer laseroptischen Mess-technik (Laserbeugungsspektroskopie) für verschiedene Viskositäten (η = 1 – 400 mPa s) unter Variation der Gasge-schwindigkeit untersucht. Folgende generelle Erkenntnis-se resultierten aus der experimentellen Untersuchung:

■ Steigerung der Gasgeschwindigkeit führt aufgrund stär-kerer aerodynamischer Kräfte zu einem feineren Spray

■ Erhöhte Flüssigkeitsviskosität führt aufgrund der dämpfenden Eigenschaft der dynamischen Viskosität auf den Desintegrationsprozess der Flüssigkeit zur Zu-nahme der Tropfengröße

■ Der Einfluss der Viskosität ist im Bereich geringer Gas-geschwindigkeiten stärker ausgeprägt

Zu den oben genannten, teils aus der Literatur bekann-ten Phänomenen wurde ein nicht systematischer Ein-

Bild 1.6: Ver-suchsapparatur

für Untersuchun-gen zum Stoff-

übergang am EBI

Bild 1.5: Streuung von βL

.ae- Vorhersagen über ηL nach verschie-

denen Autoren, berechnet für eine wässrige Glyzerin-

Mischung und Pall-Ringe dN 25 mm

Bild 1.4: Auftretende Primärinstabilitäten eines Flüssigkeitsstrahls bei Variation der dynamischen Viskosität und konstanter Gasgeschwindigkeit Pulsating mode (η = 200 mPa s); (b) Flapping mode (η = 300 mPa s)



fluss der Flüssigviskosität auf die Sprayqualität festge-stellt. Ab einer gewissen Viskosität ist der gemessene Sauter-Durchmesser (D32) nicht mehr direkt proportio-nal zur Viskosität. Zur Klärung dieses Effekts wurde der Primärzerfall im düsennahen Bereich untersucht. Beim Primärzerfall des Flüssigkeitsstrahls handelt es sich um eine komplexe Mehrphasenströmung bei dem der in-takte Flüssigkeitsstrahl aufgrund von aerodynamischen Kräften in Ligamente, Fragmente und Tropfen zerfällt. Die Untersuchungen mittels Hochgeschwindigkeitska-mera zeigten, dass abhängig von der dynamischen Vis-kosität und der Gasgeschwindigkeit zwei unterschiedli-che Primärinstabilitäten im düsennahen Bereich auftre-ten. Die Instabilitäten werden als Pulsating mode bzw. als Flapping mode bezeichnet. Der Pulsating mode ist dabei durch die Bildung einer achsensymmetrischen Welle an der Phasengrenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu handelt es sich beim Flapping mode um eine nicht-achsensymmetrische Instabilität. Sowohl Aufnahmen der Hochgeschwindig-keitskamera als auch Messungen mittels Laserbeu-gungsspektroskopie zeigten, dass die resultierende Tropfengrößenverteilung von der vorausgehenden Pri-märinstabilität abhängt. Trotz höherer Viskosität resul-tiert beispielsweise bei vorausgehender Flapping mode Instabilität ein feineres Spray, da mehr Flüssigmasse aufgrund der nicht-achsensymmetrischen periodischen Bewegung dem Strömungsbereich mit hohen Gasge-schwindigkeiten ausgesetzt wird.

GasreinigungDipl.-Ing. Felix Ortloff

Zur energetischen Optimierung der CO2-Abtrennung aus Brenngas- oder Abgasströmen wird derzeit verstärkt über den Einsatz von alternativen Absorptionsmedien, wie z. B. organischen Waschflüssigkeiten, Silikonölen oder ioni-schen Flüssigkeiten diskutiert. Neben vorteilhaften Lös-lichkeitseigenschaften von CO2 bietet sich der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten für Gasaufbereitungsprozesse vor allem aufgrund ihres sehr geringen Dampfdrucks an.

Im Vergleich zu wässrigen Absorptionsmedien weisen viele der genannten Substanzen häufig eine erhöhte Vis-kosität auf. Die bisher verfügbaren Auslegungsgrundla-gen zur Vorhersage des Stoffübergangs in Trennappara-ten (hier: Packungskolonnen) sind jedoch für die Anwen-dung auf Stoffsysteme mit erhöhter Viskosität nur bedingt geeignet (vgl. Bild 1.5).

Erste Untersuchungen zum Stoffübergang von CO2 wurden im BMBF-Verbundvorhaben „B2G - Innovative Er-zeugung von gasförmigen Brennstoffen aus Biomasse“ durchgeführt. Darin enthalten waren jedoch nur Experi-mente mit vortechnischem Packungsmaterial. Um das

Thema ausführlicher behandeln zu können, wurde noch im gleichen Jahr ein vom MWK Baden-Württemberg ge-fördertes Folgeprojekt initiiert. In diesem Vorhaben sind u. a. experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von erhöhter Flüssigkeitsviskosität auf die Hydrodynamik und den Stoffübergang von CO2 an technisch relevantem Pa-ckungsmaterial vorgesehen. Eigens für diese Untersu-chungen wurde in 2014 ein neuer Versuchsstand entwi-ckelt und aufgebaut (vgl. Bild 1.6).

Die aus diesen grundlegenden Untersuchungen ab-geleiteten Erkenntnisse können anschließend in die Mo-dellierung absorptiver Gasaufbereitungsprozesse einflie-ßen und der Bewertung des Einsatzes von alternativen Absorptionsmedien vor dem Stand der Technik dienen.

Methanisierung in einem Dreiphasen-ReaktorDr.-Ing. Manuel Götz

Dipl.-Ing. Jonathan Lefebvre

Bei der Dreiphasen-Methanisierung wird ein pulverförmi-ger Katalysator in einer von Synthesegas durchströmten Flüssigkeit suspendiert. Dieses Verfahren eignet sich spe-ziell für stark exotherme Reaktionen, da über die direkt im Reaktionsraum vorliegende Flüssigkeit die Reaktionswär-me effizient abgeführt werden kann. Auch eignen sich Dreiphasen-Reaktoren gut für einen Betrieb mit häufigen Lastwechseln, da durch die hohe Speicherkapazität der Flüssigkeit für Spezies und Wärme die bei dynamischer Prozessführung auftretenden Last- und damit auch Tem-peraturschwankungen gedämpft werden können. Aus diesen Gründen wird der Einsatz der Dreiphasen-Metha-nisierung u. a. im Rahmen von PtG-Prozessketten (Power-to-Gas) untersucht, welche als Schlüsseltechnologie zur Bereitstellung von chemischen Energiespeichern zum Ausgleich des fluktuierenden Wind- und Photovoltaik-Stromangebots genutzt werden können.

Bild 1.7: Dauer für Lastwechsel von 25 % auf 100 % Leistung



Die Antwort des Dreiphasen-Methanisierungsreaktors auf starke Lastwechsel wurde mit einem Blasensäulen-reaktor im Labor experimentell untersucht. Wie Bild 1.7 zeigt, beträgt die Zeit zum Erreichen eines stationären Betriebszustandes im untersuchten Laborsystem nach sprunghafter Steigerung der Leistung von 25 % auf 100 % ca. 10 min. Dieses Einlaufverhalten wird vor allem durch die Änderung der Strömungszustände und durch Totzei-ten der Apparatur verursacht. Die eigentliche katalytische Reaktion im Dreiphasensystem reagiert so schnell auf die aufgeprägte Laständerung, dass der Effekt in der gewähl-ten Auftragung nicht darstellbar ist und daher vernach-lässigt werden kann. Auch wird die mit dem Lastwechsel einhergehende Änderung der lokalen Wärmefreisetzung durch die Flüssigphase soweit gedämpft, dass keine un-zulässigen Temperaturspitzen auftreten können. Speziell in Hinblick auf eine dynamische Fahrweise der Reaktoren zeigt sich daher die Dreiphasen-Methanisierung konven-tionellen Festbettreaktoren, die üblicherweise mit max. 1 bis 2 % Leistungsänderung pro Minute betrieben wer-den, deutlich überlegen.

Fermentative SNG-ErzeugungDipl.-Ing. Katharina Bär, M. Sc. Friedemann Mörs,

Dr.-Ing. Manuel Götz

Im Rahmen des BMBF-Vorhabens „AG-HiPreFer“ wird in Zusammenarbeit von DVGW-EBI gt und wch mit der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim ein neuartiges, zweistufi-ges Druck-Fermentationsverfahren weiter entwickelt. Durch die unterschiedlichen Milieubedingungen in

den beiden in Reihe geschalteten Reaktoren, können Betriebsbedingungen wie z.B. Temperatur, pH-Wert und Verweilzeit auf die in der jeweiligen Reaktorstufe vorliegenden Mikroorganismen eingestellt werden. Durch die Erhöhung des Drucks im Methanogenese-Reaktor auf bis zu 100 bar sollen die Erzeugung und Aufbereitung von Biogas inklusive der Einspeisung ins Erdgasnetz apparatetechnisch vereinfacht, der Energieaufwand reduziert und damit die Kosten der Gasaufbereitung verringert werden. Außerdem ist der Einsatz von Membranen zur möglichst selektiven Fest-Flüssig-Trennung geplant. Auf der Basis von ex-perimentellen Untersuchungen im Labormaßstab zur zweistufigen Druckfermentation an der Universität Hohenheim werden am EBI ceb die Fermenter mo-delliert und die Modell-Rechnungen mit Messergeb-nissen verglichen (siehe Bild 1.8 a+b). Für die Be-rechnung sind die Daten zur Löslichkeit der Haupt-komponenten CO2 und CH4 in den verschiedenen Fermenterflüssigkeiten unter erhöhtem Druck experi-mentell zu ermitteln und das Wissen um die genaue Zusammensetzung der Fermenter-Flüssigkeit sowie Berücksichtigung von Realgaseffekten notwendig. Im vorausgegangenen Projekt „B2G“ konnte durch eine Druckerhöhung in der Methanogenese auf 9 bar ein Biogas mit deutlich erhöhtem Methangehalt (ca. 75 mol-%) im Vergleich zu einer atmosphärischen Fer-mentation (ca. 50 % Methan) erzeugt werden. Bei Versuchen mit einem Druck von 9 bar steigt der Me-thananteil durch Rückführen der Flüssigkeit im Pro-duktgas auf bis zu 85 mol-%. Bei angestrebten Fer-menterdrücken in der Methanogenese von bis zu 100

Bild 1.8a: Einfluss der Druckerhöhung (links) auf die Gas-zusammensetzung im Methanogenesereaktor (MR)

Bild 1.8b: Einfluss des Rücklaufverhältnisses (rechts) auf die Gaszusammensetzung im MR bei pMR = 9 bar



bar sowie einer geschickten Kreislaufführung der Methanogeneseflüssigkeit und pH-Wert-Regelung im Methanreaktor ist nach ersten Berechnungen auch ein Methangehalt von über 90 mol-% möglich.

Weiterhin wird die biologische Umsetzung von CO2 und H2 zu Methan mittels hydrogenotropher Me-thanogenese in Bioreaktoren untersucht. Im Zusam-menhang mit dem Projekt „Bioökonomiestrategien“ wird in Kooperation mit der Universität Hohenheim u.a. das Konzept der Einspeisung von zusätzlichem H2 in einer Biogasanlage experimentell untersucht. Hier-bei wird das bei der Fermentation entstehende CO2 in-situ mit H2 umgesetzt, was zu einer erhöhten Me-thanausbeute und damit zur Steigerung des Brenn-wertes des Rohbiogases führt. Weiterhin wird die bio-logische Umsetzung von CO2 und H2 in einem separa-ten Reaktor ohne Zuführung von Biomasse untersucht. Das Augenmerk liegt dabei auf der Optimierung der hydrodynamischen Parameter, um den bisher limitie-renden Stoffübergang von H2 in die Flüssigphase zu beschleunigen.

Methanisierung mit WabenreaktorenDipl.-Chem. Dominik Schollenberger

Als einen wichtigen Prozessschritt bei der thermoche-mischen Erzeugung von SNG (Synthetic Natural Gas) aus Biomasse untersucht das EBI ceb die Methanisie-rung in katalytisch beschichteten metallischen Waben-körpern. Neben ihrem einfachem Aufbau und der ein-fachen Skalierbarkeit bieten Metallwaben bei der stark exothermen Methanisierung den Vorteil, dass auf Grund ihres guten Wärmeleitvermögens die freiwer-dende Reaktionswärme effektiv aus dem Reaktions-raum abgeführt werden kann und sich so eine nahezu isotherme Fahrweise verwirklichen lässt, was sich vor-teilhaft auf die Produktselektivitäten und die Katalysa-torlebensdauer auswirkt. Im Jahr 2014 wurde im Rah-men des von KIC InnoEnergy geförderten Innovations-Projektes „DemoSNG“ eine Demonstrationsanlage mit Wabenreaktoren errichtet und in Schweden mit einem Biomassevergaser gekoppelt. Über dieses Projekt wur-de bereits im Heft 155 (07/2014) des gwf – Gas | Erdgas berichtet. Bild 1.9 zeigt die Anlage bei der feierlichen Vorstellung nach der Inbetriebnahme in Karlsruhe. Die ersten experimentellen Ergebnisse zur Methanisierung von CO2 belegen, dass das Upscaling erfolgreich ausgeführt wurde und die selbstentwickelten Waben-reaktoren bei Temperaturen von weniger als 300 °C CO2 mit einer äußerst hohen Selektivität zu Methan umsetzen können.

Begleitend zum Aufbau der Demonstrationsan-lage wurden die Entwicklungen im Labor weiterge-

führt. So werden neue Waben-Geometrien für das Reaktorkonzept untersucht und ein Modell zur nu-merischen Strömungssimulation entwickelt und mit Messdaten validiert.

Fischer-Tropsch-SyntheseDipl.-Ing. Régis Edzang,

Dipl.-Ing. Maria Iglesias Gonzalez, Dipl.-Ing. Hilko Eilers

Die Fischer-Tropsch-Synthese wird im Hinblick auf folgen-de reaktionstechnische neuartige Fragestellungen unter-sucht: (1) Synthese von flüssigen Kohlenwasserstoff-Ener-gieträgern aus CO-reichen Synthesegasen mit Co-Kataly-satoren, in verschiedenen Anordnungen kombiniert mit einem CO-Konvertierungskatalysator auf Basis Cu, (2) Syn-thesereaktoren als mögliche Elemente eines zukünftigen flexiblen Energiesystems, d.h. flexibler Teillast- und Last-wechselbetrieb von Festbett- und Blasensäulensynthese-reaktoren, verursacht durch Einkopplung von H2 aus fluktuierender Überschuss-Elektrizität.

Für die speziellen Bedingungen von CO-reichen Syn-thesegasen aus Biomasse werden verschiedene Kom-binationen von CO-Konvertierungsreaktion und Fischer-Tropsch-Synthese mit Co- und Cu-Katalysatoren unter-sucht. Hier ist das Ziel, reaktionstechnisch günstige Lösungen zu finden, wenn bei CO-reichen Synthesega-sen (wie sie i. a. bei Biomasse als Rohstoff vorliegen) Co-Katalysatoren mit ihren Selektivitätsvorteilen für die Syn-these verwendet werden sollen. Durch die in-situ Kombi-nation von Co- und Cu-Katalysator könnten die nötigen Investitionen gesenkt und damit der Bau kleinerer Anla-gen (z. B. bei Biomasse als Einsatzstoff) begünstigt wer-den. Von wissenschaftlichem Interesse ist hier die Kinetik

Bild 1.9: Demoanlage zur Methanisierung mit Wabenreaktoren



der CO-Konvertierungs-Reaktion in Anwesenheit der FT-Primärprodukte unter Synthesebedingungen sowie die FT-Produktselektivität bei CO-reichen Synthesegasen. Das Vorhaben wird im Rahmen des Helmholtz-Kollegs Energy-Related Catalysis am KIT bearbeitet.

Eine spezielle Anwendung der Fischer-Tropsch-Synthe-se stellt die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen im Be-reich C2 - C4 dar, die für die Brennwertanpassung von Erdgas-Ersatzgas (SNG) verwendet werden können. Mit CO2 als Kohlenstoff-Träger sind die CO2-Konvertierung und die nachfolgende Fischer-Tropsch-Synthesereaktion ein möglicher Weg, um die gewünschten Kohlenwasser-stoffe zu erzeugen. In dem Vorhaben werden Synthese-versuche mit verschiedenen Katalysatoren und variablen Reaktionsbedingungen durchgeführt, die reaktionskine-tische Auswertung und Übertragung erfolgt mit Hilfe mathematischer Modelle des Reaktors. Besonderes Au-genmerk ist dabei gerichtet auf das dynamische Verhal-ten des Katalysators bzw. des Festbettreaktors, in dem die Reaktion durchgeführt wird. Als Ergebnis zeigt sich, wie ein katalytischer Synthesereaktor mit Festbettanordnung unter möglichen instationären Bedingungen eines Pow-er-to-Gas Konzeptes betrieben werden kann.

In einem parallelen Vorhaben wird die Durchführung der FT-Synthese unter nicht-stationären Reaktionsbedin-gungen in einem anderen Reaktortyp untersucht (3-Pha-sen-Suspensionsreakor). Ziel ist die Eingrenzung von Spielräumen für nicht-stationäre Reaktor-Betriebsweisen, wenn Wasserstoff aus fluktuierender erneuerbarer Elektri-zität in die Synthese mit H2-armem Synthesegas einge-koppelt werden soll, z.B. bei der Herstellung von syntheti-schen flüssigen Kraftstoffen aus Lignocellulose-Biomasse.

Niederdruck-CarbonitrierenM. Sc. David Koch

Das Niederdruck-Carbonitrieren ist ein neuartiger Pro-zess, um aus relativ weichen Werkstücken aus Stahl hoch-belastbare Bauteile (z. B. Getriebebauteile, Düsen für Die-sel-Einspritzsysteme, Gehäuse für Hochdruckpumpen) zu fertigen. Hierzu wird zunächst das weiche Material auf die benötigte Endform gebracht, die Randschicht des Werk-stücks bei erhöhten Temperaturen (T = 800 – 950 °C) und niedrigen Drücken (pges ≤ 50 mbar) mit C und N angerei-chert (der eigentliche Carbonitrier-Schritt), und das Werk-stück anschließend abgeschreckt und dadurch gehärtet.

Die neuesten Forschungen zum Niederdruck-Carbo-nitrieren am EBI haben gezeigt, dass Amine (z. B. Methyla-min oder Dimethylamin) eine effektivere Carbonitrier-wirkung haben als die technisch etablierte Kombination von Ammoniak und Acetylen. Der Ausnutzungsgrad des Stickstoffs ist bei Aminen sehr viel höher als der bei Ammoniak, unabhängig von den eingestellten Partial-drücken. Die Kohlenstoffanreicherung erfolgt genauso gut mit Aminen wie mit Acetylen, stellt aber auch nicht den geschwindigkeitsbestimmenden Prozessschritt dar (Bild 1.10). Als große Vorteile des Carbonitrierens mit Aminen werden eine Prozesszeitverkürzung und eine Reduzierung der spezifischen Prozessgasmenge angese-hen. Wegen des hohen technischen Potenzials des Car-bonitrierverfahrens mit Aminen wurde dieses zusammen mit der Robert Bosch GmbH zum Patent angemeldet (WO002014016251A3).

Die Untersuchungen zur homogenen Pyrolyse der Ami-ne haben gezeigt, dass in der Gasphase Cyanwasserstoff gebildet wird und der Carbonitrierschritt dann über das HCN Molekül abläuft. Aus diesem Grund ist eine Abgas-nachbehandlung zwingend erforderlich. Hierzu wurden bereits erste Untersuchungen durchgeführt, und deren Ergebnisse deuten darauf hin, dass HCN im Niederdruck-bereich der Anlage katalytisch umgewandelt werden kann.

1.3 Tagungen und VeranstaltungenBiogasworkshopAuch 2014 fand der Biogasworkshop wieder in Augsburg mit großer Unterstützung von erdgas schwaben gmbh

F. Gröschl(DVGW e.V.)

Power to Gas – Mehr als nur ein Energiespeicher

P. Behmer (Thyssengas GmbH)

Szenariorahmen und Netzentwicklungsplan Gas

S. Dietzmann(Erdgas Münster GmbH)

L-Gas-Versorgung in Deutschland: Ausblick und zukünftige Herausforderungen der Marktraumumstellung

Dr. R. Albus (GWI e.V.) Technische Aspekte der Erdgasumstellung

J.-H. Hans(Nordhorner Versorgungs-betriebe GmbH)

Umstellung eines Versorgungsnetzes von L-Gas auf H-Gas

Michael Leuschner(Thyssengas GmbH)

Biogaseinspeisung aus Sicht eines Netzbetreibers

H. Kaesler(Open Grid Europe GmbH)Dr. F. Heimlich(Thyssengas GmbH)

Produktsicherheit im Erdgastransport

F. SchillingerDr. M. Wolf(Open Grid Europe GmbH)

Brenngaskonditionierung für den Gasturbi-neneinsatz von H2-haltigem Erdgas durch CO2-Methanisierung

M. Sanders (Thyssengas GmbH)

Technische Abgrenzung des Messstellenbetriebes Gas

S. Niebialek(Westnetz GmbH)

Optimierung der Odorierung – Erkenntnisse aus dem DVGW-Projektkreis

Tabelle 1: Vortragsprogramm „Erfahrungsaustausch der Chemiker und Ingeni-eure des Gasfaches“ 2014 in Dortmund



und schwaben netz gmbh statt. Wie in den letzten Jahren wurden aktuelle technische, regulatorische und rechtliche Fragestellungen entlang der Prozesskette der Biogasein-speisung sowie die Zukunft von Biomethan in Deutsch-land im Zuge der EEG-Novellierung diskutiert. Weiterhin wurde die Kopplung von Biomethananlagen mit Power to Gas behandelt. Zusätzlich zum Vortragsprogramm fand eine Führung im Augsburger Puppentheatermuseum „Die Kiste“ und eine Abendveranstaltung auf freundliche Einla-dung von erdgas schwaben gmbh im „Weinbäck“ statt, welche vor allem der Diskussion und Vertiefung der Konfe-renzinhalte in entspannter Atmosphäre diente.

Erfahrungsaustausch für Chemiker und Ingenieure des GasfachesGefördert durch lokal ansässige Unternehmen der Gaswirt-schaft wird der „Erfahrungsaustausch“ seit etwa 60 Jahren an wechselnden Orten abgehalten. Im Jahr 2014 fand die Veranstaltung mit freundlicher Unterstützung der Thyssen-gas GmbH in Dortmund statt. Das außergewöhnliche Am-biente des Signal Iduna Parks, der als Veranstaltungsort gewählt wurde, begeisterte die Teilnehmer. In bewährter Form wurden Fachbeiträge zu aktuellen gasfachlichen Themen aus Wissenschaft und Technik präsentiert, (siehe Tabelle 1). Weitere Details zu den Vortragsinhalten können den entsprechenden Veröffentlichungen im GWF des lau-fenden Jahrgangs 2015 entnommen werden. Neben den Fachvorträgen fand ein ansprechendes Rahmenprogramm statt. Am Vorabend traf man sich zu einer Stadionführung und zum gemeinsamen Abendessen. Im Anschluss an das Vortragsprogramm des ersten Konferenztages wurde die Kokerei Hansa besichtigt und der interessante Tag mit einer gelungenen Abendveranstaltung im Signal Iduna Park auf Einladung der Thyssengas GmbH abgeschlossen.

GaskursusAuch 2014 fand der jährliche Gaskursus in Karlsruhe statt. In gewohnter Weise wurden die Teilnehmer durch das Grundwissen der Gastechnik bis hin zu den aktuellsten Fragestellungen der Gaswirtschaft geführt.

Abschlussworkshop „SEE“Mit der Energiewende im Fokus konnte am 10. und 11. Juli 2014 in Karlsruhe das von der DVGW-Forschungs-stelle am Engler-Bunte-Institut koordinierte Projekt „Speicherung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen im Erdgasnetz, SEE“ des BMBF-Forschungs-schwerpunkts „Chemische Prozesse und stoffliche Nut-zung von CO2“ im Rahmen eines öffentlichen Abschluss-workshops mit umfangreichen Ergebnissen und Er-kenntnissen beendet werden. Im Rahmen des Projektes wurden innovative Verfahrenskonzepte entlang der PtG-Prozesskette untersucht und systemanalytische

Betrachtungen angestellt. Im Rahmen der Veranstaltung wurden die Ergebnisse ausführlich vorgestellt und dis-kutiert. Angereichert wurde das Vortragsprogramm um namhafte Referenten aus Industrie, Forschung und Politik. Einzelheiten zum SEE-Projekt wurden in einem EWP- Sonderteil veröffentlicht:

Speicherung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen im Erdgasnetz. energie | wasser-praxis 65 (2014) 11, S. 28–59.

1.4 Aus der Tätigkeit des Bereichs Gastechnologie der DVGW-Forschungsstelle am EBI, DVGW gt Die Schwerpunkte des Bereichs Gastechnologie liegen in der verfahrens- und sicherheitstechnischen Bearbeitung von gas- und brennstofftechnischen Fragestellungen. Hier-zu gehören Forschungs- und Entwicklungsprojekte ebenso wie Kontroll- und Überwachungsaufgaben bei Gasversor-gern und Industrieunternehmen sowie Labortätigkeiten. Zum Bereich gehören auch die akkreditierten Laboratorien Materialprüfung und Brennstoffanalytik. Um die systemi-sche Rolle von gasförmigen Brennstoffen im Energiesystem stärker zu untersuchen, wurde die Arbeitsgruppe „Systeme und Netze“ aufgebaut. Thematisch wurden 2014 systemana-lytische und netzspezifische Fragestellungen beispielsweise zur Konvergenz von Strom- und Gasnetzen oder zum The-ma Power to Gas bearbeitet. Weiterhin wurden die europäi-schen Aktivitäten verstärkt, so wurde u.a. eine Forschungs-kooperation zwischen DVGW und dem niederländischen Gasforschungsverbund EDGaR (Energy Delta Gas Research, www.edgar-program.com) vertieft und erste Ansätze für gemeinsame Forschungsaktivitäten definiert.

Bild 1.10: Überlegenheit der Prozessgasausnutzung, ausgedrückt durch den Ausnutzungsgrad ηi von Methylamin gegenüber Ammoniak (Messungen in der Thermowaage, schraffierte Balken: Messergebnisse, ausgefüllte Balken: berechnete Ergebnisse pges = pU, VΦges,0,NTP = 9 l/h, tB = 20 min)



Die enge Verbindung zwischen dem Bereich Gas-technologie der DVGW Forschungsstelle, DVGW-EBI gt und dem Bereich Chemische Energieträger – Brennstofftechno-logie, EBI ceb zeigt sich auch darin, dass ein großer Teil der unter Kapitel 1.2 "Laufende wissenschaftliche Arbeiten" aufgeführten Forschungsarbeiten zusammen mit dem Bereich Gastechnologie durchgeführt werden. Während am Lehrstuhl der Fokus auf den wissenschaftlichen Grundsatzfragen liegt, wird bei der Forschungsstelle der Schwerpunkt auf die Prozessintegration und Überführung der wissenschaftlichen Erkenntnisse in die praktische An-wendung gelegt. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung der Wabenmethanisierung, die in mehreren Forschungs-projekten untersucht wird. Hier ist der Bereich Gastechno-logie für den Aufbau und den Betrieb einer Seitenstrom-Pilotanlage federführend zuständig. Die notwendigen Grundlagenuntersuchungen werden lehrstuhlseitig im Rahmen einer Doktorarbeit erarbeitet. Die vollautomati-sierte Anlage, die im Rahmen des KIC InnoEnergy-Projek-tes „DemoSNG“ geplant und gebaut wurde, ging im Herbst 2014 in Betrieb und wird 2015 mit einer Biomasse-vergasungsanlage in Schweden gekoppelt.

Neben den öffentlich geförderten Arbeiten, die den Großteil der Forschungsarbeiten ausmachen, wurden 2014 auch zahlreiche DVGW-Forschungsvorhaben in den The-menfeldern Power-to-Gas, Gas im Systemverbund, Gasbe-schaffenheit, Odorierung und Biogas bearbeitet. Zu nen-nen sind in diesem Zusammenhang vor allem mehrere Projekte im Rahmen der DVGW-Innovationsoffensive „Gas-technologie“ (www.dvgw-innovation.de), die 2014 abge-schlossen wurden. Hervorzuheben sind insbesondere die beiden von DVGW-EBI gt koordinierten Verbundvorhaben G3-01-12 „Technoökonomische Studie von Power-to-Gas-Konzepten“ und G3-01-13 „Technoökonomische Studie zur biologischen Methanisierung bei Power-to-Gas-Konzep-ten“. In beiden Vorhaben wurden Verschaltungskonzepte von PtG-Anlagen prozesstechnisch und ökonomisch be-trachtet und wichtige Erkenntnisse für die Planung und Konzipierung von PtG-Anlagen erarbeitet. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass durch geeignete Kopplung einer Elektrolyse und einer katalytischen Methanisierung mit ei-ner Biomethananlage hohe energetische Wirkungsgrade ermöglicht werden können. Weiterhin konnten erstmals fundierte Auslegungsdaten zur biologischen Methanisie-rung generiert und ein umfangreicher Vergleich mit der katalytischen Methanisierung realisiert werden.

Auch 2014 brachten die Mitarbeiter des Bereichs ihre Erfahrungen und Erkenntnisse aus den Forschungsaktivi-täten in zahlreiche nationale und internationale Nor-mungsgremien ein. Diese beschäftigen sich insbesonde-re mit dem Thema Gasbeschaffenheit und Biogaseinspei-sung. Außerdem ist DVGW-EBI gt maßgeblich in den Gremien zur DVGW-Innovationsoffensive beteiligt.

1.5 VeröffentlichungenPublikationen

Iglesias Gonzalez, M. und Schaub G.: Brennwertanpassung (Teilprojekt 4). Research Project „Speicherung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen im Erdgasnetz – H2O-Elektrolyse und Synthese von Gaskomponenten“. DVGW-Zeitschrift: energie | wasser-praxis 65 (2014) Nr. 11, S. 48–50

Aicher, T.; Iglesias Gonzalez, M.; Schaub G. und Götz, M.: Betrachtungen des Gesamtsystems im Hinblick auf Dynamik und Prozess-integration (Teilprojekt 5). Research Project „Speicherung elek-trischer Energie aus regenerativen Quellen im Erdgasnetz – H2O-Elektrolyse und Synthese von Gaskomponenten“. DVGW-Zeitschrift: energie | wasser-praxis 65 (2014) Nr. 11, S. 51–55

Götz, M.; Graf, F.; Lefebvre, J.; Bajohr, S. und Reimert, R.: Speicherung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen im Erdgasnetz - Arbeitspaket 2a: Drei-Phasen-Methanisierung. energie | wasser-praxis 65 (2014) Nr. 11, S. 41–43.

Ortloff, F.; Götz, M.; Graf, F.; Bajohr, S.; Reimert, R. und Kolb, T.: Gasauf-bereitung und Methanisierung mit ionischen Flüssigkeiten. energie | wasser-praxis 65 (2014) Nr. 1, S. 67–70

Bajohr, S.; Schollenberger, D.; Buchholz, D. und Weinfurtner, T.: Kopplung der PtG-Technologie mit thermochemischer Biomassever-gasung: Das KIC-Projekt „DemoSNG“; gwf - Gas | Erdgas 155 (2014) Nr. 07, S. 470–475

Hagymási, L.; Waldenmaier, T.; Schulze, V. und Reimert, R.: Modellierung und Simulation der Oberflächenkinetik beim Niederdruck-Carbonitrieren; HTM Journal of Heat Treatment and Materials 69 (2014) Nr. 3, S. 155–164

Iglesias G., M.; de Vries, C.; Claeys, M. and Schaub, G.: Chemical Energy Storage in Gaseous Hydrocarbons via Iron Fischer-Tropsch- Synthesis from H2/CO2 – Kinetics, Selectivity and Process Considerations; Catalysis Today (2014)

Gunarathne, D. S.; Mueller, A.; Fleck, S.; Kolb, T.; Chmielewski, J. K.; Yang, W. and Blasiak W.: Gasification characteristics of steam exploded biomass in an updraft pilot scale gasifier. Energy 71 (2014), S. 496–506

Gunarathne, D. S.; Mueller, A.; Fleck, S.; Kolb, T.; Chmielewski, J. K.; Yang, W. and Blasiak W.: Gasification Characteristics of Hydrothermal Carbonized Biomass in an Updraft Pilot-Scale Gasifier. Energy Fuels 28 (2014) 3, S. 1992–2002

Chen, Y.; Rößler, B.; Zielonka, S.; Lemmer, A.; Wonneberger, A.-M. and Jungbluth,T.: The pressure effects on two-phase anaerobic digestion. Applied Energy 116 (2014), S. 409–415

Konferenzbeiträge

Schaub, G.; Iglesias G., M. und Eilers, H.: Chemische Reaktoren als Ele-mente eines Flexiblen Energiesystems? ProcessNet Jahres-treffen Energieverfahrenstechnik, Karlsruhe, Februar 2014

Iglesias, G., M. and Schaub, G.: Gaseous Hydrocarbon Synfuels from Renewable Electricity via H2/CO2 - Flexibility of Fixed-Bed Catalytic Reactors; 4th International Congress on Green Pro-cess Engineering, Sevilla, 7–10 April, 2014. Tagungsbericht, Récents Progrès en Gènie des Procédés,106, 2014, ISBN: 978-2-910239-80-0



Schaub, G.; Eilers, H. and Iglesias G., M.: Integration of hydrogen from wind and solar power in hydrocarbon synfuels from biomass; Proc. Int. Conf. “Bioenergy from Forest”, Helsinki, Sept. 2014, S. 192–196

Sänger, A.; Jakobs, T.; Djordjevic, N. and Kolb, T.: Effect of primary instabi-lity of a high viscous liquid jet on the spray quality generated by a twin-fluid atomizer; Proc. ILASS- Europe 2014, 26th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, 8-10 Sep. 2014, Bremen, ABS-255; ISBN 978-3-00-047070-7

Götz, M.: State of the Art and Perspectives of CO2 Methanation Pro-cess Concepts for Power-to-Gas Applications. Proc. Internati-onal Gas Union Research Conference (IGRC), Copenhagen

Anghilante, R. and Lefebvre, J.: Coupling of a Three-Phase Methanation Reactor and a High Temperature Electrolyser using MATLAB Simulink; Proc. 11th European SOFC and SOE Forum

Götz, M.; Lefebvre, J.; Schollenberger, D.; Bajohr, S.; Reimert, R. and Kolb, T.: Novel methanation concepts for the production of Substitute Natural Gas (Poster); Proc. International Gas Union Research Conference (IGRC), Copenhagen, 17.–19.09.2014

Müller, A.; Stoesser, P. and Kolb, T.: Biomass Char Gasification: Study on Reaction Kinetics Using a High-Pressure Thermogravimetric Analyzer; 39th International Technical Conference on Clean Coal and Fuel Systems, Clearwater, Fl., USA, June 1-5, 2014, Proceedings ISBN 978-1-63266-983-4

Ortloff, F.; Graf, F. and Kolb, T.: Removal of Oxygen from Biogas via Cata-lytic Oxidation of Methane. Proc. International Gas Union Re-search Conference (IGRC), 17.–19.09.2014, Copenhagen

Kolb, T., Eberhard, M., Seifert, H. and Zimmerlin, B.: BtL – The bioliq® Process at KIT; Berliner Abfallwirtschafts- und Energiekonferenz / Opti-mierung der Abfallverbrennung, Berlin, 27./28. Januar 2014, Proc. Energie aus Abfall, Bd. 11, TK Verlag, ISBN 978-3-944310-06-0

PatenteKoch, D.; Waldenmaier, T.; Buchholz, D.; Hagymasi, L.; Reimert, R. und Ba-

johr, S.: Verfahren zur Herstellung mindestens eines Bauteils und Steuer- und/oder Regeleinrichtung; WO002014016251A3 Veröffentlichungsdatum: 08.05.2014

2. Aktivitäten des Lehrstuhls und Bereichs Verbrennungstechnik, der DVGW-Forschungs-stelle, Bereich Verbrennungstechnik, und der Forschungsstelle für Brandschutztechnik

Prof. Dr.-Ing. Dimosthenis Trimis, Prof. Dr.-Ing. Nikolaos Zarzalis, Prof. Dr.-Ing. Henning Bockhorn, Dipl.-Ing. Jürgen Stenger, Dipl.-Ing. Dieter Brein, Dr. rer. nat. Dietmar Schelb

2.1 AllgemeinesIm Bereich Verbrennungstechnik stand das Jahr 2014 für die Konsolidierung und Neustrukturierung, die in Zu-sammenhang mit dem Übergang der Leitung auf Prof. Dimosthenis Trimis stattfand. Verbunden mit dem Wechsel der Leitung des Bereichs Verbrennungstechnik ist eine Orientierung zu neuen Forschungsschwerpunkten sowie die thematische Weiterentwicklung der im Bereich Ver-brennungstechnik etablierten Forschungsrichtungen. In diesem Rahmen werden anspruchsvolle etablierte For-schungsschwerpunkte wie z. B. Rußbildung, Verbrennungs-lärm und Verbrennungsinstabilitäten sowie die ange-wandte Verbrennungstechnik in stationären und Flug-gasturbinen nach wie vor weiterentwickelt, wobei der ehemalige Leiter Prof. Bockhorn in angemessenem Rah-men weiter mitwirkt.

Für die Orientierung der neu hinzukommenden Forschungsschwerpunkte ist folgender Hintergrund wesentlich:

■ Ein dominierendes Thema der nächsten Jahrzehnte wird die Energieversorgung sein. Für deren zukünftige Entwicklung werden insbesondere die Themenfelder regenerative Energien, alternative Brennstoffe, Energie-speicherung, Energieeffizienz, genaue Regelbarkeit und die intelligente Vernetzung eine entscheidende Rolle spielen.

■ Auch in der produzierenden Industrie werden alter-native und regenerative Energiequellen in zukünftigen

Prozessen integriert werden. Zudem werden die An-forderungen an die Qualität der Produkte, die Energie-effizienz und damit auch die Anforderungen an die genaue Regelbarkeit aller Prozesse steigen.

■ Im Zusammenhang mit der Energieversorgung wird insbesondere die Systemtechnik als Ganzes im Vorder-grund stehen. Die resultierenden Aufgabenstellungen können daher nur interdisziplinär bearbeitet werden. Dies bedeutet, dass die interdisziplinäre Verbundfor-schung, insbesondere mit den Materialwissenschaf-ten, an Bedeutung gewinnen wird.

■ Die weitere Entwicklung von experimentellen und numerischen Methoden, sowie die steigende Rech-nerleistung werden eine genauere Modellierung und numerische Simulation von immer komplexeren und multiskaligen Prozessen ermöglichen.

Vor diesem Hintergrund werden für den Bereich Verbren-nungstechnik folgende Forschungsschwerpunkte mittel- und langfristig verfolgt werden:

■ Die Brenn- und Kraftstoffe der zukünftigen Verbren-nungstechnik werden sich ändern: Wasserstoff, was-serstoffreiche, synthetische und biogene Brennstoffe sowie Schwachgase werden in der Zukunft zuneh-mend an Bedeutung gewinnen. Forschungsthemen sind daher die Charakterisierung der verbrennungs-technischen Eigenschaften von wasserstoffhaltigen, biogenen sowie synthetischen Brennstoffen und Ge-



mischen (gas und flüssig), Zündvorgänge, Strömungs- und Verbrennungsinstabilitäten, Spraybildung und die Verbrennung von neuartigen flüssigen Brennstoffen, Wechselwirkungen zwischen Verbrennungsvor-gängen und Materialien, sowie grundlegende Unter-suchungen der Flammenstruktur an Modellflammen.

■ Die Kombination von Verbrennungsvorgängen mit weiteren Prozessen wie beispielsweise elektroch-emischen (Brennstoffzellen, Elektrolyse), thermoelek-trischen, solarthermischen sowie solarchemischen Prozessen werden wesentliche zukünftige Forschungs-themen sein.

Auch in der Abteilung der Forschungsstelle für Brand-schutztechnik (FFB) wurde zum 1. November 2014 ein Übergang in der Leitung von Brein zu Dr. rer. nat. Dietmar Schelb, der am Institut für Verbrennungstechnik am DLR Stuttgart promovierte, durchgeführt. Verbunden mit dem Wechsel in der Leitung wird die CFD-Simulation ein neuer Schwerpunkt im Bereich Brandschutz. Die Leitung der CFD – Aktivitäten übernimmt Dipl.-Ing. Ilian Dinkov, der im Sommer 2014 vom Lehrstuhl Verbrennungstechnik zur FFB wechselte.

2.2 LehreEntsprechend den aktualisierten Schwerpunkten in der Forschung wurden auch die Lehrveranstaltungen des Lehrstuhls für Verbrennungstechnik erweitert. In einer neu begonnenen Vorlesung „Wasserstoff- und Brennstoffzellen-technologien“ werden dezidiert die Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie vermittelt und daran gekoppelt das in Zukunft vermehrt erforderliche Grundwissen der Wasserstofftechnologie gelehrt. Im Zusammenhang mit der genauen Erfassung von Strömungsgrößen, Konzentrations- und Temperaturfeldern in der modernen Verbrennungs-forschung sind insbesondere laser-optische Methoden einschließlich digitaler Bildverarbeitung (z. B. LDA, PDA, PIV und LIF) Stand der Technik und werden daher in der Vorle-sung „Messtechnik in der Thermofluiddynamik“ im Vergleich mit gängigen, klassischen Methoden behandelt. Im Rahmen dieser Lehrveranstaltung können Studierende in den kombi-nierten Praktikums- und Übungsstunden unmittelbar diese Methoden erproben. In 2014 konnte trotz der durch den Wechsel in der Leitung bedingten Übergangsphase etwas reduzierten Anzahl von wissenschaftlichen Mitarbeitern mit 13 Bachelor- und Diplomarbeiten eine eindrucksvolle Anzahl von Studierenden ihre Abschlussarbeiten am Lehrstuhl abschließen. Insbesondere hervorzuheben ist dabei die Bachelor Arbeit von T. Zirwes zum Thema „Weiterent wicklung und Optimierung eines auf OpenFOAM basierenden DNS Lösers zur Verbesserung der Effizienz und Handhabung“, die zusammen mit zwei weiteren Arbeiten mit dem DVGW- Studienpreis Gas prämiert wurde.

2.3 Laufende Forschungsarbeiten im Bereich VerbrennungstechnikDie laufenden Forschungsarbeiten im Bereich Verbren-nungstechnik konzentrieren sich auf Probleme die bei der Deckung des steigenden Energiebedarfs durch fossile und erneuerbare Rohstoffe auftreten, auf die Entwicklung von Verbrennungskonzepten für einen schadstoffarmen Be-trieb von Fluggasturbinen und stationären Gasturbinen, Arbeiten mit dem Ziel der Reduktion von Schadstoffen aus der Verbrennung fossiler und in verstärktem Maße auch nichtfossiler, erneuerbarer Brennstoffe sowie die Entwick-lung von Alternativen zum Einsatz von fossilen Brennstof-fen, der energetischen Verwertung von Biomassen, die Verringerung von Lärmemissionen aus Verbrennungspro-zessen und die Entwicklung von Methoden, die für die mathematische Modellierung und Vorausberechnung von Verbrennungsvorgängen und Verbrennungseinrichtun-gen genutzt und zu deren Optimierung herangezogen werden können. Die in diesen Themenbereichen durchge-führten Forschungsvorhaben werden sowohl in internatio-nalen als auch nationalen Verbundvorhaben und direkten Industriekooperationen (z. B. Avio Aero, BASF SE, BMW AG, Siemens AG) durchgeführt.

Im Rahmen europäischer geförderter Forschung ist der Bereich Verbrennungstechnik vor allem an Verbund-projekten der Luftfahrt beteiligt. In 2014 neu hinzuge-kommen ist aber auch unter Koordinierung des Bereiches Verbrennungstechnik das EU-Verbundprojekt HELMETH, das Problemfelder zur Realisierung eines wirtschaftlichen Power-to-Gas Betriebs behandelt.

Im Rahmen des in 2014 gestarteten HELMETH Projek-tes wird zunächst eine Hochtemperaturelektrolyse ge-nutzt, um Wasserdampf in Sauerstoff und Wasserstoff zu zersetzen. Danach reagiert der Wasserstoff gemeinsam mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid zu Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, weiter. Der Vorteil von Me-than ist, dass es in der bestehenden Erdgasinfrastruktur nahtlos eingesetzt werden kann. In HELMETH sollen in diesem Zusammenhang die Bedingungen/Szenarien für einen wirtschaftlichen Power-to-Gas-Betrieb von erneu-erbarer elektrischer Energie zu Methan erarbeitet werden, ohne dass dabei die CO2 Bilanz der erneuerbaren Energie verschlechtert wird. Ein großes Potential liegt in der Nutzung der Prozesswärme aus der Methanisierung, um etwa Wärmebedarf bei der Elektrolyse zu decken. Im Rahmen von HELMETH soll eine Demonstrationsanlage entstehen, die mit einem Wirkungsgrad von rund 85 Pro-zent aus erneuerbaren Energien Methan erzeugt.

Eine verbesserte Darstellung des Zündvorganges in Flugtriebwerken unter Höhenbedingung war Gegen-stand des 2014 erfolgreich abgeschlossenen Projektes KIAI (Knowledge for Ignition, Acoustics and Instabilities). Das Verstehen dieses Wiederzündungsprozesses ist er-



forderlich für die weitere Entwicklung von Flugzeug-triebwerken, weil es eine weitere Reduktion des Brenn-kammervolumens ermöglicht. Diese Reduktion be-günstigt sowohl die geforderte Reduktion der NOx-Emissionen durch Verringerung der Verweilzeit, als auch der CO2 Emissionen durch Reduktion der Triebwerkmasse. Das ebenfalls in 2014 abgeschlossene Projekt Fuel Injector Research for Sustainable Transport (FIRST) hatte zum Ziel, Auslegungswerkzeuge und -techniken zu entwickeln, die es ermöglichen, die Brennstoffsprühstrahlen bzw. Ruß mit Modellen detail-liert zu beschreiben und damit die Möglichkeit zu eröff-nen, diese gezielt zu beeinflussen. Übergeordnetes Ziel dazu ist die im Advisory Council for Aerospace Research in Europe (ACARE) Protokoll bis 2020 geforderte Reduktion der Emissionswerte von Flugtriebwerken für CO2 von 50 % und für NOX von 80 % mit Bezug auf das Jahr 2000. Im Rahmen von LEMCOTEC (Low Emission Core Techno-logies) werden in enger Zusammenarbeit mit dem Triebwerkshersteller Avio Aero das bereits im Verbund-projekt NEWAC entwickelte innovative PERM (partially evaporated rapid mixing) Verbrennungskonzept opti-miert und für kritische Punkte im LTO Lastzyklus ertüch-tigt. Dabei wird insbesondere das magere Verlöschen unter Druckbedingungen sowie das Zündverhalten unter-sucht. In einem weiteren Verbundprojekt Intelligent Design Methodologies for Low Pollutant Combustors for Aero-Engines (IMPACT AE) werden mit dem gleichen Ziel Schlüsselelemente für die Entwicklung und Validierung von Auslegungswerkzeugen erstellt, mit denen syste-matisch bereits im Designschritt NOX und CO-Emis-sionen reduziert werden können. Die Optimierung soll durch die Kombination von Auslegungswerkzeugen für den Entwurf und die detaillierte Parametrisierung von Verbrennungssystemen bei niedrigen Emissionswerten erreicht werden. Die Optimierung wird mit der genaue-ren und realistischen Abbildung dieser Verbrennungs-systeme sowie der Möglichkeit, die Skalierung der Brenner zu untersuchen, ermöglicht. Infolgedessen soll die Entwicklungsdauer für derartige Brennertypen deutlich verringert werden.

Die durch instationäre Vorgänge bei Verbrennungs-prozessen induzierten Schwankungen des Strömungs- und Druckfeldes wirken sich auch auf die Emission von Lärm aus. Daher werden im Verbundprojekt Verbren-nungslärm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dessen Förderzeitraum 2014 für eine zweite Phase verlängert wurde, in Zusammenarbeit mit drei weiteren Instituten der RWTH Aachen, der TU Berlin und der TU Darmstadt Entstehungsmechanismen des Verbrennungs-lärmes numerisch untersucht. Hier wird mit kompres-sibler Large-Eddy Simulation (LES) sowie mit Direkter Nu-merischer Simulation (DNS) des Verbrennungsvorganges

die Entstehung des verbrennungsinduziert emittierten Lärmes im Detail untersucht.

Mit der Untersuchung des Zündvorgangs beschäftigt sich das bereits in der zweiten Förderphase befindliche Forschungsprojekt „Zündung durch mechanische Fun-ken“ innerhalb der DFG-Forschergruppe „Physicochemi-cal-based Models for the Prediction of safety-relevant Ig-nition Processes“. Da mechanische Funken als Zündquel-len eine wichtige Rolle bei der sicherheitstechnischen Beurteilung der Zündung brennbarer Gasgemische spie-len, wird in dem Projekt die Zündung durch kleine, heiße Teilchen bis zu einem Durchmesser von einem Millimeter untersucht. Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf einem detaillierten Verständnis des Zündvorgangs selbst, mit dem Ziel, das physikalisch-chemische Modell der Gasphasenzündung an kleinen heißen Partikeln verschie-denster Materialien und Größen voranzutreiben.

Aus Platzgründen kann hier keine vollständige und de-taillierte Übersicht über alle Forschungsarbeiten gegeben werden. Hierzu sei auf direkte Kontakte hingewiesen, die sich einfach über die Internetadresse http://vbt.ebi.kit.edu herstellen lassen.

2.4 Abgeschlossene Promotionen im Jahr 2014Im Bereich Verbrennungstechnik des Engler-Bunte-Insti-tuts wurden im Jahr 2014 im Rahmen der oben genann-ten Forschungstätigkeiten die folgenden Dissertationen abgeschlossen:

■ Torsten Voigt: Numerische Simulation wirbeldynami-schen Instabilitätsverhaltens turbulenter Vormisch-flammen. (Prof. Dr. Ing. Nikolaos Zarzalis, Prof. Dr. rer. nat. Michael Pfitzner)

Diese Arbeit behandelt die numerische Simulation und die darauf aufbauende Analyse des von der Ver-brennung induzierten und von der Wirbeldynamik getriebenen Instabilitätsverhaltens einer mageren, eingeschlossenen Vormischflamme. Die Flamme wird hierbei über einen weiten Bereich von Betriebsbedin-gungen mittels der charakteristischen Mechanismen vorgemischter, eingeschlossener und in Wechselwir-kung mit einem turbulenten, verdrallten Strömungs-feld stehenden Verbrennungssystems stabilisiert. Die-ses Verhalten ändert sich jedoch schlagartig bei Errei-chen einer kritischen Luftzahl: Die aerodynamisch stabilisierte Vormischflamme bewegt sich stromauf, entlang der Rotationsachse in Bereiche mit den ur-sprünglich höchsten stromab gerichteten Strömungs-geschwindigkeiten. Diese weitestgehend ungeklärte Art der Instabilität des Flammenrückschlags wird als verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen bezeich-net, da die Stromaufpropagation aus einem lokalen Strömungszusammenbruch resultiert, der von der Wärmefreisetzung begünstigt wird. Da das zugrunde



liegende Strömungsfeld stark turbulent und anisotrop ist, wurde in dieser Arbeit zur Schließung der Impuls-gleichungen der dreidimensionalen uRANS-Simulatio-nen ein Reynoldsspannungsmodell verwendet. Die Interaktion von Strömung und Verbrennung wurde mittels eines Flammenoberflächendichtemodells be-schrieben. Dieses Modell wird durch Ableitung einer exakten Transportgleichung einer dynamischen, sich in Wechselwirkung mit einem turbulenten Strömungs-feld befindlichen Oberfläche gewonnen (tFSD Modell).

Als eine von der Reaktionskinetik und der Interakti-on mit dem Strömungsfeld bestimmte Größe geht dabei das dynamische Verhalten der vorgemischten Flamme, ausgedrückt über die Flammengeschwin-digkeit, in die modellseitige Beschreibung ein. Die Dynamik der vorgemischten Flamme ist dabei vom Gemisch, der Gemischzusammensetzung, des ther-modynamischen Zustandes und der Strömungsdyna-mik (Streckungsrate) abhängig. Diese Effekte lassen sich mittels der Markstein Zahl charakterisieren, die im Rahmen dieser Arbeit in einem vorgelagerten Berech-nungsschritt (Pre-Processing-Schritt) anhand von la-minaren Gegenstromvormischflammen numerisch ermittelt werden. Die Analyse des Strömungsfeldes um die Flammenwurzel zeigt während des numerisch simulierten Rückschlags Streckungsraten, die die lami-nare Streckgrenze weit übersteigen. Als Konsequenz hiervon müsste die Flamme erlöschen, und die unter-suchte Konfiguration wäre gegen das verbrennungs-induzierte Wirbelaufplatzen sicher ausgelegt, was nicht den Beobachtungen entspricht. Da der Grund in der Wechselwirkung Flamme-Strömung liegt, ist in dieser Arbeit der Ansatz zur Beschreibung der Flam-mengeschwindigkeit erweitert worden, wodurch tur-bulente, instationäre Vorgänge effektiv mit erfasst

werden. Der neue Ansatz wird von der Turbulenz ge-steuert, was die Rückführung auf einen linearen Zu-sammenhang zwischen Flammengeschwindigkeit und Streckungsrate bei laminaren Strömungsverhält-nissen ermöglicht. Diese Betrachtung der laminaren Flamelets in turbulenter Strömung (FLTC) führt im Zu-sammenhang der numerischen Simulationen des ver-brennungsinduzierten Wirbelaufplatzens mittels tFSD Modells zu kritischen Rückschlaggrenzen, die den ge-messenen Werten entsprechen.

Auf Basis der Analyse des Flammenrückschlags sind wirbeldynamische Vorgänge, insbesondere die Umorien-tierung und Streckung der Wirbelfäden als Ursache für die Induktion einer hinreichend hohen stromauf gerich-teten Axialgeschwindigkeit identifizierbar. Die im unge-störten Anströmbereich ursprünglich rein axialen Wirbel-fäden werden aufgrund der Rezirkulationsblase (Bild 2.1, links) und der mit der Reaktion verbundenen Wärmefrei-setzung auf kurzem axialen Abstand in die radiale und aufgrund der Drehimpulserhaltung auch in die zirkumfe-rentielle Richtung umgelenkt. Die in Umfangsrichtung orientierten Wirbelfäden wirken torusförmigen Ringwir-beln entsprechend und daher mit einer sich entlang der Rotationsachse orientierten, stromauf gerichteten resul-tierenden Axialgeschwindigkeit (Bild 2.1, rechts).

Das entwickelte Verbrennungsmodell ermöglicht es, den instationären, dreidimensionalen Vorgang des verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzens zu simu-lieren. Die experimentell zugängigen Erscheinungs-formen und spezifischen Parameter werden hinsicht-lich ihrer physikalischen Bedeutung richtig wiederge-geben. Die Modellkonstanten sind dabei in keiner Weise an experimentelle Sollbefunde angepasst, was das Modell zu einem vorher- und aussagefähigen Werkzeug macht. Die Simulationsergebnisse ermögli-

Bild 2.2: Die abgehobene Flamme im Betrieb unter Druck Bild 2.1: Stromaufpropagation einer Rückströmblase



chen daher eine genaue Aussage über die Abläufe und Ursachen, die zum verbrennungsinduzierten Wir-belaufplatzen führen und über die Mechanismen, die während des Rückschlags wirksam sind.

■ Plamen Kasabov: Experimentelle Untersuchungen an abgehobenen Flammen unter Druck (Prof. Dr. Ing. Ni-kolaos Zarzalis, Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer)Bedingt durch das immer höhere Luftverkehrsaufkom-men und durch Kenntnis der schädlichen Wirkung von Emissionen auf die Umwelt werden vom Gesetzgeber die Emissionsgrenzwerte kontinuierlich verringert. Diesen Anforderungen an moderne Verbrennungs-systeme ist nur durch ständige technologische Weiterentwicklung Genüge zu tun. Zur Sicherstellung einer stabilen Verbrennung werden die Brenner in vielen Flugtriebwerken brennstoffreich betrieben. Die begrenzte Materialeinsatztemperatur der Turbinen-schaufeln setzt das anschließende Abquenchen der Rauchgase mit Luft voraus. Dadurch entstehen in der Brennkammer Bereiche mit hoher Temperatur, was die Bildung von Stickoxiden begünstigt.

Ein großes Potenzial zur Minderung von Stickoxiden birgt daher die Homogenisierung des Brennstoff-Luft-Gemisches. Auf diese Weise können effektiv heiße Bereiche in der Brennkammer vermieden werden. Ei-ne Möglichkeit diesen Ansatz in die Praxis umzuset-zen bietet die Vormischverbrennung. Probleme mit Selbstzündung und Flammenrückschlag verhindern gegenwärtig eine schnelle Verbreitung dieser Tech-nologie. Im Gegensatz dazu findet bei der untersuch-ten abgehobenen Flamme die Verbrennung in einer bestimmten Entfernung zur Düse statt (Bild 2.2). Die Mischung zwischen Brennstoff und Luft erfolgt in diesem Fall stromab vom Brenner, sodass ein Rück-schlag keine Gefahr mehr darstellt. Die zu untersuchen-de abgehobene Flamme wurde mittels einer modifi-zierten Airblast-Düse erzeugt. Diese besitzt zwei kon-zentrische Luftkanäle. Im inneren Kanal ist die Luft verdrallt, was zur Bildung eines Rezirkulationsgebiets auf der Achse führt. Im äußeren Kanal bleibt die Luft unverdrallt, was zum Abheben der Flamme beiträgt. An der Stelle, wo die zwei Luftströmungen aufeinander-treffen, wird der flüssige Brennstoff Kerosin hinzu-gefügt. Durch den Einsatz von Abgasanalyse und op-tischen Messtechniken wurde die Auswirkung diverser Betriebsparameter auf die Flammeneigenschaften untersucht. Besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss des Betriebsdruckes gelegt. Wie in Bild 2.3 zu erkennen ist, entwickelt die untersuchte abgehobene Flamme ihr volles Minderungspotenzial unter luftrei-chen Bedingungen und ermöglicht auch bei höheren Drücken sehr niedrige NOX-Konzentrationen. Gleich-

zeitig bestätigen die Messergebnisse keine Verschlech-terung der Flammenstabilität im Vergleich zu anderen nicht-abgehoben brennenden Flammen. Der gemes-sene Ausbrand deutet außerdem für einen breiten Bereich der Gemischstöchiometrie auf eine praktisch vollständige Umsetzung des Brennstoffs hin.

Aus den Ergebnissen der Studie wurde deutlich, wie vielseitig der Einfluss der verschiedenen Betriebspara-meter auf das Verhalten der untersuchten abgehobe-nen Flamme ist. Mithilfe der erlangten Erkenntnisse lässt sich diese Vielseitigkeit gezielt nutzen, um die Eigenschaften dieser außergewöhnlichen Flammen-art nach den eigenen Bedürfnissen zu steuern.

■ Christian Kraus: Experimental and Numerical Investiga-tion of the Influence of Multiple-Burner Arrangements on Combustion Instabilities in Turbulent Swirl-Stabi-lized Flames (Prof. Dr. Ing. Henning Bockhorn, Prof. Dr. rer. nat. habil. Ulrich Maas)

Das Auftreten von Verbrennungsinstabilitäten kann Schäden an Brennerkomponenten oder auch zur Zer-störung der kompletten Anlage führen. Detaillierte Untersuchungen der thermoakustischen Stabilität von technischen Flammen werden mehrheitlich an Einzelbrennersystemen durchgeführt. Technische Brennersysteme werden jedoch häufig in Mehrfach-brenneranordnungen betrieben. Die überwiegende Anzahl der Methoden, die zur Vorhersage der thermo-akustischen Stabilität eines Brennersystems verwen-det werden, gehen von der Annahme aus, dass keine Interaktion zwischen den Flammen in einem Mehr-fachbrennersystem stattfindet. Es besteht in dieser Thematik jedoch eine offene Diskussion darüber, ob und in wie weit Modelle, die für Einzelbrennersysteme

Bild 2.3: Druckabhängigkeit der Stickoxidemissionen (1EI entspricht ca. 11ppmV); TV 473 K; ∆p 3 %; Aeff 97 mm²



entwickelt wurden, das thermoakustische Stabilitäts-verhalten von Mehrfachbrennern abbilden und auf welche Weise sie erweitert werden können, damit sie Verbrennungsinstabilitäten von Mehrfachbrennern zuverlässig vorhersagen können.Der Schwerpunkt der Arbeit liegt demzufolge auf der Untersuchung des Einflusses von Mehrfachbrenner-anordnungen auf Verbrennungsinstabilitäten von tech-nischen Brennersystemen. Zu diesem Zweck wurde ein modularer Brenner entworfen und gefertigt, wel-cher als Einzelbrenner und auch in mehreren Mehr-fachbrenneranordnungen betrieben werden kann. Der Brenner wird unter atmosphärischen Bedingun-gen betrieben; als Brennstoff wird Erdgas verwendet und die Flammenstabilisierung erfolgt durch eine Doppeldralldüse. Für die Untersuchungen wurde der Brenner im Einzelbrenner-Setup („single-burner se-tup“, SBS) und in zwei Mehrfachbrenner-Setups betrie-ben. Im ersten Mehrfachbrenner-Setup („multiple burner setup 1“, MBS1) sind vier Brenner in Reihe ange-ordnet. Im zweiten Mehrfachbrenner-Setup („multiple burner setup 2“, MBS2) sind vier Brenner ähnlich einer Ringbrennkammer angeordnet, wodurch jede Flam-me zwei angrenzende Flammen besitzt (Bild 2.4).Die beobachteten Verbrennungsinstabilitäten des mo-dularen Brenners wurde experimentell und numerisch mittels CFD-Methoden (Computational Fluid Dynamics) untersucht. Bei den Experimenten wurden Druck-schwingungen in der Brennkammer und der Luftzufuhr mit Kondensatormikrofonen gemessen. Zusätzlich wur-den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der OH*-Chemi-lumineszenz der Flamme durchgeführt, um Schwankun-gen der Wärmefreisetzungsrate zu erfassen. In einem Vergleich aller aufgenommenen Frequenzen wurde fest-gestellt, dass Instabilitäten bei allen Brennerkonfiguratio-

nen bevorzugt bei relativ hohen Leistungen auftreten. Neben mehreren instabilen Moden im niederfrequen-ten Bereich von 100-300 Hz wird eine Instabilität mit sehr hohen Druckamplituden im Bereich von 400 Hz beob-achtet. Weiterhin tritt im Einzelbrenner bei hohen Leis-tungen und nahstöchiometrischen Bedingungen eine starke Instabilität mit einer Frequenz um 750 Hz auf. In den Mehrfachbrennern werden bei gleichen Betriebs-bedingungen die 400-Hz-Instabilitäten beobachtet. Zu-sammenfassend wurde festgestellt, dass die Flammen in den Mehrfachbrenneranordnungen eine stärkere Nei-gung zu niederfrequenten Schwingungen aufweisen. Die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der OH*-Chemo-lumineszenz zeigen, dass die hohen Druckamplituden der instabilen Moden mit hohen Schwankungen des Massenstroms verbunden sind. Die Strömungsfelder der reaktiven Strömungen im SBS und MBS2 sind im Gegen-satz zu den nicht-reaktiven Strömungen sehr ähnlich. Unterschiede zeigen sich jedoch im Bereich der düsen-nahen Strömung, wo die Strömung im SBS höhere Rückstromraten in der IRZ aufweist als die Strömung im MBS2. Die festgestellten Unterschiede in den Strö-mungsfeldcharakteristika im SBS und MBS2 führen zu ei-ner Vergrößerung des konvektiven Transportzeitmaßes zwischen Brennstoffeinlass und Hauptreaktionszone im Strömungsfeld des MBS2, welches mit den Stromlinien des mittleren Strömungsfeldes ermittelt wurde. Es wird daraus gefolgert, dass die erhöhte Sensitivität der Flam-me im MBS2 auf niederfrequente Schwankungen durch das erhöhte konvektive Zeitmaß und die dadurch erhöh-te Flammenverzugszeit zu begründen ist. Zusammen-fassend kann gesagt werden, dass Untersuchungen an Einzelbrennersystemen nur teilweise die thermoakusti-schen Charakteristiken von Mehrfachbrennersystemen wiedergeben können. Interaktionen zwischen den Flammen oder den Drallströmungen können dazu füh-ren, dass sich das thermoakustische Stabilitätsverhalten im Vergleich zu Einzelbrennersystemen ändert, was die Beschreibung der Stabilität von Mehrfachbrenner system mit Modellen, die für Einzelbrennersysteme entwickelt wurden, erheblich erschwert.

2.5 Forschungsstelle für Brandschutztechnik (FFB)Die Forschungsstelle für Brandschutztechnik entwickelt einerseits Verfahren zur Prüfung vorbeugender baulicher und anlagentechnischer Brandschutzmaßnahmen und an-dererseits entwickelt und validiert sie Bemessungsverfah-ren für Fragestellungen rund um die Entstehung, die Aus-breitung und die Bekämpfung von Bränden für Gebäude verschiedenster Nutzungen. Für Versuche im realen Maß-stab steht eine 450 m2 große Brandversuchshalle zur Ver-fügung. Im Jahr 2014 wurden einige Forschungsprojekte durchgeführt. Eine Auswahl wird im Folgenden dargestellt.

Bild 2.4: Modularer Brenner für verschiedene Multibrenneranordnungen



■ „Eigenschaften und Abbrandverhalten von Faserver-bundwerkstoffen, speziell Kohlefaserverbundwerk-stoffen (CFK), sowie erforderliche Maßnahmen.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, kurz CFK werden in einer Vielzahl von Produkten verwendet. Sind diese Werkstoffe in ein Schadensereignis involviert, werden Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) mit werkstoff-spezifischen Gefahren konfrontiert. Diesen Gefahren zuzuordnen sind das Einatmen potenti-ell gefährlicher, faserförmiger Partikel, die Verletzung der Haut durch nadelförmige Fragmente und eine mögliche Kurzschlussgefahr für elektrische Anlagen.

Es lassen sich zwei Szenarien hinsichtlich ihres Gefähr-dungspotentials unterscheiden. Bei einem Brand verbrennt zunächst der Kunststoff. Die Kohlenstofffasern bleiben bei entsprechend niedrigen Temperaturen stabil und werden erst bei höheren Temperaturen thermisch abgebaut. Erst dann können Kohlenstofffasern frei werden, die in die Lunge gelangen und dort potentiell schädigend wirken können. Bei der rein mechanischen Schädigung oder Bearbeitung wird der Durchmesser der Kohlenstofffasern nach heutigem Stand nicht wesentlich reduziert. Daher bleibt das Freiset-zungspotential von kritischen Kohlenstofffasern tendenziell gering. Messungen externer Stellen zeigten jedoch kritische Bruchstücke bei der mechanischen Einwirkung, die teilweise nicht eindeutig der Kohlenstofffaser oder dem Kunststoff zuzuordnen sind. In beiden Szenarien fehlen grundsätzliche Expositionsmessungen, die für eine Beurteilung der Gefähr-dung und eine Empfehlung von Schutzmaßnahmen maß-gebend sein könnten. Weitere Untersuchungen werden zur Thematik „Brandverhalten von Lithium-Ionen-Batterien in verschiedenen Anwendungen und Ableitung einsatztakti-scher Empfehlungen“ durchgeführt. Hierzu zählt insbeson-dere auch die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien für Antriebszwecke oder als stationäre Speicher.

Ein weiteres Forschungsgebiet ist die Untersuchung der Auswirkungen aktivierter ortsfester Wasserlöschanla-gen auf die Wirkung natürlicher Rauchabzüge (Bild 2.6). Unterstützung erfährt die wissenschaftliche und beraten-de Tätigkeit der Forschungsstelle auch durch ihre in Deutschland einzigartige und seit Jahrzehnten gepflegte Fachbibliothek, die kontinuierlich ausgebaut und durch die Dokumentationsabteilung unterstützt wird. Diesen Service stellt die Forschungsstelle auch extern zur Verfügung. Die Forschungsergebnisse werden als Berichte der Länder der Bundesrepublik Deutschland zur Verfügung gestellt. Eine Liste der bisher veröffentlichten Berichte enthält die Home-page http://www.ffb.kit.edu/ . Die Literaturauswertungen der Fachdokumentation Brandschutzwesen können kos-tenlos online über die Website der FFB oder direkt und ebenfalls kostenlos über http://www.fachdokumentation-brandschutzwesen.de recherchiert werden.

2.6 DVGW-Forschungsstelle und Prüf-laboratorium GasDie vorhandenen Prüfstände und die erforderlichen Ausrüstungen sind auf dem Stand der Technik, so dass die Prüfstelle weiterhin im In- und Ausland konkurrenz-fähig bleibt und von Herstellerprüfständen weitgehend unabhängig ist. Der zum Prüflaboratorium gehörende Bereich der anwendungsorientierten Forschung war im Berichtszeitraum ebenfalls erfolgreich. Das resultierende Know-how wirkt sich speziell im Hinblick auf den System-ansatz bei neuen technischen Lösungen zunehmend positiv aus.

Auch im zurückliegenden Jahr wurden beachtliche Aufwendungen für Mitarbeit in der Regelsetzung reali-siert. Neben den DVGW-internen Gremien und Ausschüs-sen wird im nationalen (ca. 55 Ausschüsse in NAGas, NHRS, FNH, DKE), europäischen (CEN, CENELEC, EU-Kom-mission) und internationalen (IEC, ISO) Bereich (25 euro-päische und internationale Gremien zzgl. Arbeitsgruppen) mitgearbeitet. Die Ingenieure der Prüfstelle übernehmen darüber hinaus Sprecher- oder Vorsitzfunktionen in ca. 10 Ausschüssen auf europäischer und internationaler Ebene.

Bild 2.6: Wechselwirkungen zwischen Brandrauchströmung und Sprinkler – 3-dimensionale Numerische Simulation mit ANSYS CFX (Temperaturverteilung nach Sprinklerauslösung mit Geschwindigkeitsvektoren)

Bild 2.5: Prüfung der Feuerbeständigkeit von Lithium-Ionen-Batterien für Elektro-fahrzeuge nach ECE R 34 oder ECE R 100 Prüfverfahren (links) und nach koreani-schem Prüfverfahren (Korea Motor Vehicle Safety Standards – KMVSS, rechts)



Die bei der DAkkS (Deutsche Akkreditierungsstelle) be-stehende umfassende Akkreditierung des Prüflaborato-riums (ca. 500 Prüfgrundlagen) mit der Registriernummer „D-PL-12098-01-01“ für die Bereiche „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Sicherheit elektrischer Betriebs-mittel (SEB), Materialprüfungen an Produkten der Gas-verteilung und -verwendung, Probenahme und ausge-wählte Prüfungen von Brennstoffen, Gasverbrauchsein-richtung nach Richtlinie 2009/142/EG, Druckgeräte nach Richtlinie 97/23/EG“ wurde durch ein Überwachungs-audit bestätigt. Für die Prüfung von Bauprodukten im Rahmen der „Verordnung (EU) Nr. 305/2011 zur Festle-gung harmonisierter Bedingungen für die Vermarktung von Bauprodukten“ wurde eine Erneuerung der Anerken-nung als „Benannte Stelle Nr. 2403“ durch Bescheid des DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) dokumentiert.

Die Arbeitsschwerpunkte der Prüfstelle können aus Platzgründen hier nicht detailliert beschrieben werden, so dass eine stichpunktartige Aufzählung genügen muss. Ausführliche Darstellungen finden sich auf der Internet-seite der Prüfstelle http://www.dvgw-ebi.de/ .Arbeits-schwerpunkte im Bereich Prüfung/Normierung sind:

■ Kraft-Wärme-Kopplung, Mikro KWK-Geräte, Entwick-lung und Normung

■ Elektrische Ausrüstung und elektronische Sicherheitskom-ponenten von Gasgeräten, Entwicklung und Normung

■ Zusammenarbeit mit europäischen Stellen − CEN/TC237 (Gaszähler)

− CEN TC 109 (Heizkessel) − CEN TC 48 (Wasserheizer) − Ecodesign Coordination group − BEDAC (Boiler Efficiency Advisory Committee) − CEN TC 234 WG 11 (Gasinfrastruktur) − CEN TC 236 − CEN TC 69

Forschungsaktivitäten im Prüflaboratorium GasIm Bereich des Prüflaboratoriums Gas hat sich im Jahr 2014 der Anteil der entwicklungsorientierten For-schungsaktivitäten erhöht. Das Thema Gasbeschaffen-heit unter veränderten Gasmarktbedingungen wurde weiter intensiv behandelt. Im Rahmen dieser Arbeiten lief die Vorstudie zur Definition von verträglichen Gas-beschaffenheiten im Rahmen der europäischen H-Gas-Normung in die finale Phase. Im Projektabschlussbe-richt wurde das Konzept für ausstehende Forschungs-arbeiten ausgearbeitet, das auf Analysen sehr umfangreicher Daten zum Gerätebestand und von be-reits verteilten Gasbeschaffenheiten im Kontext zu Emissions- und Effizienzanforderungen basierte. Es wurden zudem mehrere Arbeiten für intelligente, gasflexible Gasanwendungstechnologien gestartet, bei denen sich die Geräte automatisch den möglichen Veränderungen von Gasbeschaffenheiten anpassen. Neben dem optimierten Laborbrennerstand samt den zugehörigen Fähigkeiten zur detaillierten Verbren-nungssimulation wurde ein System zur vergleichenden Untersuchung diverser pre-, in- und post-Combustion-Kompensationsansätze aufgebaut. Diese Versuchs-plattform MGARCP wurde auf Basis eines typischen Brennwertgeräts aufgebaut und alle wichtigen am Markt befindlichen Sensoransätze integriert, um die Regelungsmöglichkeiten für verschiedene Gasbeschaf-fenheitsbereiche parallel zu untersuchen [IGRC-Beitrag: Dörr, H.: Approaches to optimize natural gaz utilization for varying operation conditions. (2014) International Gas Union Research Conference, Kopenhagen, Däne-mark, 17.-19.09.2014 (Proceeding)].

Das MGARCP-System ist in Bild 2.6 integriert in das GasPlus-Lab dargestellt und stellt einen weitgehend ei-genständigen, hochintegrierten Prüfstand mit vollstän-diger Energieerfassung und umfangreicher Sensorik dar. Mit dem MGARCP-Versuchsstand können sowohl die Möglichkeiten zur Minimierung von Emissionen als auch die präzise Leistungseinstellung des Systems selbst bei sehr unterschiedlichen Einsatzgasen evaluiert werden, um die Potenziale dieser unterschiedlichen Lösungsansätze zu demonstrieren und auch Lösungs-möglichkeiten für unkonventionelle Gasversorgungen (z. B. Prozessgase) anbieten zu können. Neben Kom-ponenten von Forschungspartnern fließen bei den

Bild 2.7: MGARCP-Prüfstand am Standort Gas Plus-Lab



pre-Combustion-Ansätzen auch zunehmend korrelative Gasbeschaffenheitsmesssysteme ein, an deren Entwick-lung die Forschungsstelle mitwirkt.

Im Rahmen eines Projekts zur Wasserstoffeinspeisung in ein Erdgasbestandsnetz begleitet die Forschungsstelle diesen Feldtest wissenschaftlich, der 2014 mit der voll-ständigen Erhebung der ca. 180 Gasgeräte in einem Be-standsgebiet an der deutsch-dänischen Grenze in die Messphase gestartet ist. Im Vorfeld wurden mit den La-borbrennerversuchen und an Gasgeräten die Effekte von Wasserstoffzumischungen unter definierten Versuchsbe-dingungen untersucht und analysiert, und mit umfang-reichen Messreihen an den Mikro-KWK-Anlagen im Gas-Plus-Lab abgerundet. Diese Untersuchungen zur Wasser-stoffverträglichkeit der Gasverwendungen sind für eine erfolgreiche Entwicklung der Power-to-Gas-Ansätze über Wasserstoffeinspeisung notwendig, da die hohe Lang-zeit-Speicher- und Regelkapazität des Gasnetzes und der Zugang zu der breiten Gasverwendungstechnik die Kern-vorteile des Power-to-Gas-Ansatzes gegenüber anderen Stromspeicheroptionen darstellen.

In mehreren Industrieprojekten wurden Phänomene durch Wechselwirkungen zwischen Gasbestandteilen und Sensoriken untersucht, um hier Beständigkeitsaus-sagen vornehmen zu können und Entwicklungsoptionen aufzuzeigen. Hierfür wurde der Sondergaslaborbereich für korrosive, brennbare und toxische Gase erweitert, bei denen Prüflinge und Materialproben in Wärmeschränken selbst unter hohem Druck getestet werden können.

Die Membranforschungsprojekte zur selektiven Gas-trennung haben weitere Einblicke in die Mechanismen der Stofftrennung zur analytischen Beschreibung der Temperaturabhängigkeit von Permeabilitäten, und in Degradationsvorgänge gegeben. Diese Ergebnisse flie-ßen zusammen mit den Untersuchungen zur Alterung von Elastomeren in die Normungsarbeiten ein und er-weitern die Prüfmöglichkeiten des Materialprüflabors zur Bewertung der Permeabilitätseigenschaften von Ma-terialien. Für Beständigkeitsuntersuchungen im Cross-Flow-Betrieb ist unter anderem eine 4-fach Testzelle aus dem Hochleistungsmaterial PEEK vorhanden, die parallele Begasungen und Permeabilitätsmessungen von bis zu 4 Membranen erlaubt.

2.7 Veröffentlichungen des Bereichs (peer reviewed)

Rau, F.; Hartl, S.; Voss, S.; Still, M.; Hasse, C. and Trimis, D.: Laminar burning velocity measurements using the Heat Flux method and nu-merical predictions of iso-octane/ethanol blends for different preheat temperatures. Fuel 140 (2015), S. 10–16.

Bhagwan, R.; Zarzalis, N.; Habisreuther, P. and Turrini F.: An Experimental Comparison of the Emissions Characteristics of Standard Jet

A-1 and Synthetic Jet Fuels. Flow Turbul. Combust. 92 (2014) Nr. 4, S. 865–884.

Stelzner, B.; Keramiotis, Ch.; Voss, S.; Founti, M.A. and Trimis, D.: Analysis of the flame structure for lean methane-air combustion in porous inert media by resolving the hydroxyl radical, Proc. Combust. Inst. 35 (2014), S. 3381–3388.

Roth, D.; Sharma, P.; Häber, T.; Schiessl, R.; Bockhorn, H. and Maas, U.: Igni-tion by Mechanical Sparks: Ignition of Hydrogen/Air Mixtures by Submillimeter-Sized Hot Particles, Combust. Sci. Technol. 186 (2014) Nr. 10–11, S. 1606–1617.

Mendes, M.A.A.; Ray, S. and Trimis, D.: Evaluation of effective thermal conductivity of porous foams in presence of arbitrary working fluid, Int. J. Therm. Sci. 79 (2014), S. 260–265.

Amos, N.J.; Widyawati, M.; Kureti, S.; Trimis, D.; Minett, A.I.; Harris, A.T. and Church, T.L.: Design and synthesis of stable supported-CaO sor-bents for CO2 capture, J. Mater. Chem. A 2 (2014) Nr. 12, S. 4332–4339

Denev, J.A.; Naydenova, I. and Bockhorn, H.: Quantification of the local heat release rate during flame-vortex interactions at different Lewis numbers and equivalence ratios, Eurasian Chem. Tech-nol. J. 16 (2014) Nr. 2–3, S. 195–207.

Garten, B.; Hunger, F.; Messig, D.; Stelzner, B.; Trimis, D. and Hasse, C.: De-tailed radiation modeling of a partial-oxidation flame, Int. J. Therm. Sci. 87 (2015), S. 68–84.

Alomar, O.R.; Mendes, M.A.A.; Trimis, D. and Ray, S.: Numerical simulati-on of complete liquid-vapour phase change process inside porous media using smoothing of diffusion coefficient, Int. J. Therm. Sci. 86 (2014), S. 408–420.

Geiser, G.; Hosseinzadeh, A.; Nawroth, H.; Zhang, F.; Bockhorn, H.; Habis-reuther, P.; Janicka, J.; Paschereit, C.O. and Schroeder, W.: Thermo-acoustics of a turbulent premixed flame., AIAA Paper 44 (2014), S. 2014–2476.

Demuth, C.; Mendes, M.A.A.; Ray, S. and Trimis, D.: Performance of ther-mal lattice Boltzmann and finite volume methods for the solu-tion of heat conduction equation in 2D and 3D composite media with inclined and curved interfaces; Int. J. Heat Mass Transfer 77 (2014), S. 979–994.

Mendes, M.A.A.; Talukdar, P.; Ray, S. and Trimis, D.: Detailed and simpli-fied models for evaluation of effective thermal conductivity of open-cell porous foams at high temperatures in presence of thermal radiation, Int. J. Heat Mass Transfer 68 (2014), S. 612–624.

Denev, J.A.; Naydenova, I. and Bockhorn, H.: Lean Premixed Flames - a Direct Numerical Simulation Study of the Effect of Lewis Num-ber at Large Scale Turbulence., in Transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS), W.E Nagel, D.B.Kroener and M. Resh (Eds.), High Performance Computing in Science and Engineering `14 (2014)

Ortona, A.; Trimis, D.; Uhlig, V.; Eder, R.; Gianella, S.; Fino, P.; D’Amico, G.; Boulet, E.; Chazelas, C.; Grämer, T.; Cresci, E.; Wünning, J.G.; Altena, H.; Beneke, F. and Debier, M.: SiSiC heat exchangers for recupe-rative gas burners with highly structured surface elements; International Journal of Applied Ceramic Technology, 2014

Zehmisch, R.; Demuth, C.; Al-Zoubi, A.; Mendes, M.A.A.; Ballani, F.; Ray, S. and Trimis, D.: Numerical prediction of effective thermal conductivity of refractory materials: Methodology and sensitivity analysis; Journal of Ceramic Science and Technology 5 (2014), S. 145–154.

Mendes, M.A.A.; Ray, S. and Trimis, D.: An improved model for the effec-tive thermal conductivity of open-cell porous foams, Int. J. Heat Mass Transfer 75 (2014), S. 224–230.



Autoren

Prof. Dr. rer. nat. Harald HornEngler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) |Karlsruhe |Tel.: +49 721 608 42580 |E-Mail: [email protected]

Prof. Dr.-Ing. Thomas KolbEngler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) |Karlsruhe |Tel.: +49 721 608 42561 |E-Mail: [email protected]

Prof. Dr.-Ing. Dimosthenis TrimisEngler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) |Karlsruhe |Tel.: +49 721 608 42570 |E-Mail: [email protected]

Dr. rer. nat. Josef KlingerTechnologiezentrum Wasser |Karlsruhe |Tel.: +49 721 9678 110 |E-Mail: [email protected]

Bhagwan, R.; Wollgarten, J. C.; Habisreuther, P. and Zarzalis, N.: Experi-mental Investigation on Lean Blow Out of a Piloted Aero-Engine Burner, Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Power for Land, Sea and Air, 16.–20. Juni 2014, Düsseldorf, GT2014-25199.

Sedlmaier, J.; Habisreuther, P.; Zarzalis, N. and Jansohn, P.: Influence of Liquid and Gaseous Fuel on Lifted Flames at Elevated Pressure Stabilized by Outer Recirculation, Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Power for Land, Sea and Air, 16.–20. Juni 2014, Düsseldorf, GT2014-25823.

Majcherczyk, M.; Zarzalis, N. and Turrini, F.: Influence of the Turbulence Length Scale and Intensity on Spark Ignition of Kerosene Jet-A1-Air Mixtures at High Altitude Relight Conditions, Procee-dings of ASME Turbo Expo 2014: Power for Land, Sea and Air, 16.–20. Juni 2014, Düsseldorf, GT2014-25332.

Wulf, R.; Mendes, M.A.A.; Skibina, V.; Al-Zoubi, A.; Trimis, D.; Ray, S. and Gross, U.: Experimental and numerical determination of effective thermal conductivity of open cell FeCrAl-alloy metal foams, Int. J. Therm. Sci. 86 (2014), S. 95–103

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