Eisen als Energieträger: CFD-Simulationen der Eisenpulververbrennung zur Umrüstung von Kohlekraftwerken

Kurzfassung

Die Außerbetriebnahme der deutschen Kohlekraftwerke rückt näher, weshalb Forschung und Industrie sich der Suche nach alternativen Brennstoffen widmen. Das Hauptaugenmerk liegt hier oft auf Biomasse, sowie auf die Verbrennung von Wasserstoff. Eine Alternative, die mehr und mehr Aufmerksamkeit erhält, ist Metallpulver. Eisen kann verbrannt werden, um Wärme zu erzeugen, und die daraus entstehende Eisenoxide können mithilfe erneuerbarer Energie zurück in Eisen umgewandelt werden. Diese Möglichkeit, Eisen als Energieträger zu verwenden, öffnet neue Möglichkeiten für die Energieversorgung Deutschlands. Hiervon verfolgt das DLR eine Möglichkeit konkret, und zwar die Umrüstung von Kohlekraftwerken auf Eisen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen zunächst CFDSimulationen der turbulenten Eisenpulververbrennung durchgeführt werden. In dieser Arbeit präsentieren wir CFD-Simulationen turbulenter Eisenverbrennung. Unser Ziel ist, einen turbulenten Eisen-Methan-Brenner im Pilotmaßstab [1] auf skalierbare Art und Weise simulativ zu replizieren. Hierzu modellieren wir die Korngrößenverteilung (KGV) von Eisenpulver mit einem sektionalen Ansatz, bei dem die Partikel je nach Durchmesser in Größenklassen eingeteilt werden. Diese Methode erlaubt uns die KGV, und damit verbundene Phänomene, zu modellieren und dies mit deutlich weniger Rechenaufwand als partikelaufgelöste Simulationen. Nach einem kurzen Überblick über den Stand der Technik werden wir unsere Ergebnisse mit Experimenten aus der Literatur vergleichen. Dazu gehören der Vergleich der Strömungsfelder und der Temperaturverteilung im gesamten Brenner sowie Aspekte wie Rechenaufwand und Simulationszeit. Diese Ergebnisse werden uns unterstützen, Eisenpulverflammen auf industriellen Maßstab zu skalieren, und somit die Umrüstung bestehender Kohlekraftwerke einen Schritt näherzubringen.