Eisen als Energieträger: CFD-Simulationen der Eisenpulververbrennung

Kurzfassung

In den letzten Jahren sind Metallpulver als alternative Energieträger mehr und mehr in den Fokus gerückt. Metalle können verbrannt werden, um Wärme zu erzeugen, und die daraus entstehende Metalloxide können mit erneuerbarer Energie, in Form von grünem Wasserstoff, zurück in Metalle umgewandelt werden. Dieser metallischer Brennstoffzyklus öffnet neue Möglichkeiten für die Energieversorgung Deutschlands, wovon wir eine konkret verfolgen, und zwar die Umrüstung von Kohlekraftwerken auf Eisenpulververbrennung. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen zunächst CFD-Simulationen der turbulenten Eisenpulververbrennung durchgeführt werden, wofür zunächst wiederum CFD-Simulationen der laminaren Eisenpulververbrennung durchgeführt werden müssen, um das grundlegende Modell zu bilden. Letztere sind Gegenstand dieser Arbeit. Experimentelle Grundlage unserer Simulationen ist ein laminarer Bunsenbrenner, der mit Eisen betrieben wurde. Dieser Brenner wurde mit zwei unterschiedlichen Modellierungsansätzen untersucht: Einphasige Simulationen nach dem "dusty gas model" wurden mit OpenFOAM v11 durchgeführt. Die Besonderheit dieser Simulationen ist die Verwendung eines Sektionalen Ansatzes, um die Partikelgrößenverteilung des Eisenpulvers zu modellieren. Somit können Simulationen hochskaliert werden vom Laborbrenner bis hin zu Industriebrennkammer, ohne die Fähigkeiten heutiger HPC-Architekturen zu überschreiten. Mehrphasensimulationen hingegen wurden mit MFiX [3] durchgeführt: Ein CFD-Solver nach der Euler-EulerMethode, der speziell für Schüttgüter entwickelt wurde. Hier wurden nicht nur die gekoppelte Navier-Stokes-Gleichungen beider Phasen gelöst, sondern auch Gleichungen für die granulare Temperatur des Pulvers. Somit wird das physikalische Verhalten des Eisenpulvers genau dargestellt, was bei einphasigen Simulationen nicht der Fall ist. Die Ergebnisse beider Simulationsmethoden werden vorgestellt und sowohl miteinander als auch mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Anschließend werden wir einen Ausblick auf unseren turbulenten Simulationen geben, die ebenfalls uns darin unterstützen werden, unser Ziel zu erreichen: Simulationen der Verbrennung von Eisenpulver in industriellen Brennkammern.