Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Jahr 2020 - DVGW EBI
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FACHBERICHTE Forschung und Lehre
Engler-Bunte-Institut des
Karlsruher Instituts für Technologie
(KIT) im Jahr 2020
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut, Forschungs
stelle für Brandschutztechnik und TZW: DVGW-Technologie
zentrum Wasser, Karlsruhe, Teil 2
Harald Horn, Thomas Kolb, Dimosthenis Trimis und Josef Klinger
Forschung und Lehre, Tätigkeitsbericht, Ausbildung, Weiterbildung
Dieser jährlich erscheinende Bericht gibt einen Überblick über die Entwicklungen und Aktivitäten am Engler-Bunte-Insti-
tut, der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des KIT sowie der Forschungsstelle für Brandschutztechnik. Da-
rüber hinaus wird über das TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser berichtet. Wie es auch in den vergangenen Jahren
gehandhabt wurde, erscheinen die gasspezifischen Beiträge in gwf Gas + Energie (Teil 1: Ausgabe 6/2021, EBI ceb; Teil 2:
Ausgabe 7-8/2021, EBI vbt) und die wasserspezifischen Beiträge in gwf-Wasser | Abwasser (Teil 3: Ausgabe 6/2021, EBI
WCT; Teil 4: Ausgabe 7-8/2021, TZW). Typischerweise steht die Entwicklung der verschiedenen Einrichtungen mit Beiträ-
gen aus der universitären Lehre, der Aus- und Weiterbildung, über Forschungs- und Entwicklungsprojekte, über Beratung
und Firmenkontakte im Fokus. In diesem Bericht wird aber unstrittig auch immer wieder die Corona-Pandemie themati-
siert werden, da sie sehr tief in die Organisation der Forschungsarbeiten und vor allem der Lehre eingegriffen hat.
The annual report aims at giving an overview of developments and activities of the Engler-Bunte-Institut, the DVGW
Research Center, the Research Center of Fire Protection Technology, and the TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser
(German Water Center). As every year, the gas related parts can be found in gwf Gas + Energie (part 1: issue 6/2021, EBI
ceb; part 2: issue 7-8/2021, EBI vbt) and the water related parts in gwf-Wasser | Abwasser (part 3: issue 6/2021, EBI WCT;
part 4: issue 7-8/2021, TZW). The report typically 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. However, the current annual report also addresses the effects of the corona pandemic, which does
significantly influence the daily work in research, consulting and of course teaching.
(Fortsetzung aus gwf Gas + Energie, Ausgabe 6/2021)
2 gwf Gas + Energie 7-8/2021
Forschung und Lehre FACHBERICHTE
2. Aktivitäten des Teilinstituts Verbrennungstechnik, der DVGW-Forschungsstelle, Prüfla-
boratorium Gas, und der Forschungsstelle für Brandschutztechnik
Dimosthenis Trimis, Nikolaos Zarzalis, Henning Bockhorn, Jens Hoffmann, Dietmar Schelb
2.1 Lehre und Forschung Systemtechnik liegen. Aus diesem Grund können die
Am Teilinstitut für Verbrennungstechnik wurden 2020 For- auf der eingesetzten Systemtechnik basierenden Auf-
schungsgebiete insbesondere mit dem Schwerpunkt fle- gaben nur in Zusammenarbeit und auf der Grundlage
xible Energiebereitstellung bearbeitet. Dabei wurden so- interdisziplinärer Expertise entwickelt werden. Als
wohl bereits etablierte Forschungsbereiche weiterentwi- Konsequenz daraus gewinnt die interdisziplinäre Ver-
ckelt als auch neue Thematiken erschlossen. Im Rahmen bundforschung, insbesondere mit den Materialwis-
der Forschungsgebiete Energiespeicherung und -um- senschaften immer mehr an Bedeutung.
wandlung, der Rußbildung, der Verbrennungsinstabilitä- ■■ Sowohl experimentelle als auch immer stärker nume-
ten, der Verbrennungstechnik in stationären und Flug- rische Methoden sind im Hinblick auf die zu erwarten-
zeuggasturbinen sowie der grundlegenden Beschreibung den Probleme wichtig. Die Erhöhung der Rechenleis-
von Verbrennungsvorgängen durch numerische Simulati- tung ermöglicht dabei eine zunehmend genauere
on wurden eine Vielzahl von Untersuchungen durchge- Modellierung und numerische Simulation auch von
führt, an denen auch der ehemalige Leiter Prof. Bockhorn komplexen und multiskaligen Prozessen.
weiterhin in angemessenem Umfang beteiligt ist.
Die generelle Ausrichtung der Forschung am Teilinsti- Aufgrund dieser Überlegungen verfolgt das Teilinstitut
tut ist vor dem alle Themengebiete umspannenden, ge- für Verbrennungstechnik folgende Forschungsschwer-
meinsamen Hintergrund zu sehen: punkte:
■■ In der 2017 von der internationalen Organisation „The ■■ Die Untersuchungen zu Zündvorgängen, Strömungs-
Millennium Project“ veröffentlichten Auflistung der 15 und Verbrennungsinstabilitäten, der Spraybildung
globalen Herausforderungen wird die Sicherstellung und Verbrennung neuartiger flüssiger Brennstoffe, die
der Energieversorgung in den kommenden Jahrzehn- Wechselwirkungen zwischen Verbrennungsprozessen
ten und die damit verbundene, zwingend erforderli- und Werkstoffen. Dazu sind auch grundlegende Un-
che, nachhaltige Entwicklung der Menschheit zur Be- tersuchungen zur Flammenstruktur an Modellflam-
schränkung des Klimawandels aufgelistet. men unerlässlich.
■■ Darin ist das Themenfeld „Sicherung der Energiever- ■■ Die Kombination von Verbrennungsprozessen mit an-
sorgung“ enthalten und es wird daher auch weiterhin deren Verfahren wie thermoelektrischen, elektroche-
in vielen Feldern der Forschung und Entwicklung mischen (Elektrolyse, Brennstoffzellen), solarthermi-
präsent sein. Themen rund um erneuerbare Energien, schen und solarchemischen Verfahren ist ein For-
alternative Kraftstoffe, Speicherung und effiziente schungsthema, das nicht nur den energetischen,
Nutzung von Energie spielen ebenso eine entschei- sondern verstärkt auch den stofflichen Aspekt des
dende Rolle wie deren Bereitstellung und Verteilung. Verbrennungsprozesses in den Vordergrund rückt.
Diese ist aufgrund ihrer schwankenden Verfügbarkeit
durch schnelle und präzise Steuerung und intelligente Im Bereich der Lehre wurden überwiegend Veranstaltun-
Vernetzung zu ermöglichen. gen in den klassischen Bereichen der Verbrennungstech-
■■ Der Nachhaltigkeitsaspekt wird durch die Nutzung nik, aber auch weitergehende Lehrveranstaltungen in
von alternativen und erneuerbaren Energiequellen in Grund- und Vertiefungsfächern der Fakultät für Chemie-
Zukunft verstärkt auch in die Prozesse der Fertigungs- ingenieurwesen und Verfahrenstechnik (CIW/VT) ange-
industrie Einzug halten, so dass die spezifischen Aus- boten. Das Praktikum „Numerik im Ingenieurwesen“ so-
wirkungen deren schwankender Verfügbarkeit bei ih- wie die Vorlesungen „Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
rer Anwendung große Auswirkungen auf die Sicher- technologien“, „Messtechnik in der Thermofluiddynamik“
stellung der Produktqualität haben werden. Im und „Energietechnik“ können hier erwähnt werden. Das
Zusammenhang mit diesen Grundüberlegungen stei- Angebot an Lehrveranstaltungen konnte trotz der her-
gen die Anforderungen, die für eine Erhaltung bzw. ausfordernden Umstände in Zusammenhang mit der
Steigerung der Qualität von Produkten an die Energie- COVID-19 Pandemie durch Online-Vorlesungen oder als
effizienz im Herstellungsprozess und damit auch an Online-Praktikum (z. B. Numerik im Ingenieurwesen) sehr
die exakte Steuerbarkeit aller beteiligten Teilprozesse erfolgreich durchgeführt werden. Neben diesen beson-
gestellt werden müssen. ders hervorgehobenen Veranstaltungen sind viele Stu-
■■ Um eine kontinuierliche Energieversorgung zu ge- dierende während ihres Studiums auch an den For-
währleisten, wird also der Fokus auf der gesamten schungsaktivitäten des Teilinstituts beteiligt. Trotz der
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Herausforderungen durch die Pandemie im Jahr 2020 nologien für die klimaschonende Energieumwandlung
wurden acht Bachelor- und acht Masterarbeiten abge- vorangetrieben. In diesem Vorhaben wurden die für die
schlossen. Beschreibung der Verbrennung von flüssigen Brennstof-
fen erforderlichen Teilmodelle zu einem Gesamtmodell
2.2 Laufende Forschungsarbeiten im Bereich zusammengefügt und an einem industrienahen System
Verbrennungstechnik erprobt. Eine ähnliche Zielstellung verfolgt auch das von
Die aktuelle Forschung auf dem Gebiet der Verbren- der Europäischen Union im Rahmen des „Horizon 2020“
nungstechnik konzentriert sich auf Problemstellungen, Programms geförderte Verbundprojekt „Turbomachinery
die sich für die Speicherung und Bereitstellung von Ener- retrofits enabling flexible back-up capacity for the transition
gie aus fossilen und nachwachsenden Rohstoffen erge- of the European energy system“ (TurboReflex), das ebenfalls
ben, auf eine Reduktion der Entstehung von Schadstof- in 2021 abgeschlossen werden wird. Für eine Überbrü-
fen bei der Verbrennung fossiler und insbesondere auch ckungszeit zwischen angeforderter Leistung und deren
nicht-fossiler, nachwachsender Brennstoffe, auf die Ent- Bereitstellung durch erneuerbare Energiequellen ist die
wicklung von neuen Verbrennungskonzepten für den zurzeit bereits installierte Leistung fossil befeuerter Kraft-
schadstoffarmen Betrieb von Flugzeuggasturbinen und werke zwar groß genug, jedoch sind die vorhandenen
stationären Gasturbinen sowie auf die Erarbeitung von Anlagen in erster Linie nur für die Abdeckung der Grund-
Alternativen zum Einsatz von fossilen Brennstoffen, zu der last ausgelegt. Eine von dieser Leistungsabnahmeform
energetischen Verwertung von Biomassen, der Verringe- abweichende Betriebsweise führt zu stark erhöhtem Ver-
rung von Lärmemissionen aus Verbrennungsprozessen schleiß sowie unnötig hohen Emissionen. Im Verbund-
und der Entwicklung von Modellierungsansätzen für die projekt TurboReflex wurden daher Technologien zur Auf-
Vorausberechnung von Verbrennungsvorgängen und rüstung bereits installierter Kraftwerke erforscht, die eine
Verbrennungseinrichtungen, die zu deren Optimierung flexiblere Betriebsweise ermöglichen. Damit soll erreicht
genutzt werden können. Die in diesen vielfältigen The- werden, dass eine Betriebsweise mit hohen Lastgradien-
menbereichen durchgeführten Forschungsvorhaben ten nicht zu einer Verschlechterung in Bezug auf Be-
werden sowohl in internationalen als auch nationalen triebszeit, Kosten und Emissionen führt. Eine entschei-
Verbundvorhaben und direkten Industriekooperationen dende Hürde für die Ausweitung der möglichen Teillast-
durchgeführt. bedingungen und Leistungsgradienten stellt die
Innerhalb eines vom Bundesministerium für Wirt- emissionskonforme magere Verlöschgrenze („lean blow
schaft geförderten Kooperationsprojektes, das im Jahr off“, LBO) dar. Strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen
2021 abgeschlossen werden wird, wurde im Teilprojekt bieten in diesem Zusammenhang eine Möglichkeit, Ver-
„Modellierung des Verbrennungsverlaufs bei der Verbren- brennungstemperaturen bis zu nur 1000-1200 °C zu errei-
nung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Was- chen und so eine Erweiterung des möglichen Teillastbe-
ser-Emulsionen“ die Zielstellung „Betriebsflexibilität und triebs bei gleichen Emissionen zu erreichen. Am Teilinsti-
Brennstoffflexibilität“ in Kooperation mit der Siemens AG tut für Verbrennungstechnik wurde in diesem Rahmen
verfolgt und so die Entwicklung von Verbrennungstech- die numerische Vorhersagbarkeit der Verlöschgrenzen
mit fortschrittlichen Verbrennungsmodellen untersucht
und verbessert. Im Jahr 2020 konnte in dem im Projekt
bearbeiteten Arbeitspaket ein Kriterium für die Berech-
nung der mageren Abblasegrenzen für ein Modellsystem
(Bild 2.1) definiert werden, das in der Lage ist, Messer-
gebnisse mit guter Genauigkeit wiederzugeben.
Im Rahmen des europäischen Verbundprojektes
„Energy Efficient Coil Coating Process“ (ECCO), das vom Teil-
institut Verbrennungstechnik koordiniert wird, wird ein
neues Ofenkonzept zur Trocknung von lösemittelhalti-
gen Beschichtungen auf Stahlbändern entwickelt. Strah-
lungsbrenner dienen dabei zur Bereitstellung von Wärme
in Form von Festkörperwärmestrahlung im infraroten
Bereich. Das neue Ofenkonzept erlaubt, dass die Strah-
lungsbrenner mit dem verdampften Lösemittel als Brenn-
Bild 2.1: Vergleich von berechneten und gemessenen mageren Verlöschgrenzen stoff betrieben werden. Mit dem Fokus der Effizienzstei-
(LBO) für verschiedene Düsengeometrien (D1-D6) gerung des Gesamtprozesses wird im Rahmen des Pro-
jektes am Teilinstitut Verbrennungstechnik an der
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Optimierung der Brenner geforscht. Strahlungsbrenner gen bestimmt und weist eine signifikante Bandbreite auf,
werden als Vormischbrenner betrieben und bestehen aus wie in Bild 2.2 zu erkennen ist. Zusammen mit geometri-
einem Mischmodul, einer Flammensperre und einer po- schen Analysen der Strukturen sowie detaillierten numeri-
rösen, keramischen Struktur. Die laufenden Untersuchun- schen Untersuchungen konnten entscheidende Einfluss-
gen beziehen sich insbesondere auf die Gestaltung die- faktoren auf die Strahlungsauskopplung der Strahlungs-
ser keramischen Struktur. Zur Bewertung verschiedener brenner identifiziert werden. In einem abschießenden
Strukturen wird unter anderem die Strahlungseffizienz Entwicklungsschritt werden strahlungsoptimierte Struktu-
herangezogen, welche das Verhältnis aus Strahlungsleis- ren entwickelt und experimentell untersucht.
tung und Brennerleistung darstellt. Zur Bestimmung der Im ebenfalls europäisch geförderten Verbundprojekt
Strahlungseffizienz des untersuchten Strahlungsbrenners „Advanced direct biogas fuel processor for robust and cost-
wurde eine genormte Messmethode zur Ermittlung der effective decentralised hydrogen production“ (BioRoburPlus)
Strahlungsleistung von Dunkel- und Hellstrahlern (DIN- wird Wasserstoff aus entschwefeltem Rohbiogas mittels
EN 419) adaptiert. Betrachtet wurden die in Bild 2.2 links oxidativer Dampfreformierung produziert. Ziel des Pro-
dargestellten keramischen Strukturen. Die unstrukturier- jektes ist die Demonstration des Prozesses mit hohem
ten Schäume unterscheiden sich in der Höhe (Brenner- Wirkungsgrad im technisch relevanten Maßstab von ca.
einlass bis -auslass) sowie der Herstellungscharge, was zu 100 kg Wasserstoff pro Tag. Der hohe Wirkungsgrad wird
unterschiedlichen Porendurchmessern führt. Die Tetra- durch energetische Verwertung eines im Prozess anfal-
kaidekaeder-Struktur bildet einen periodisch monodis- lenden Schwachgases erreicht. Der Beitrag des Teilinsti-
persen Schaum ab und die Voronoi-Struktur ermöglicht tuts Verbrennungstechnik zum Projekt ist ein System zur
die Abbildung einer zufälligen Schaumstruktur und bie- Verbrennung und Prozesswärmebereitstellung, beste-
tet zusätzlich die Möglichkeit die Porengröße in Strö- hend aus Mischer, Brenner, Überhitzer, Dampferzeuger
mungsrichtung (klein zu groß) zu variieren. und Rekuperator (Bild 2.3). Der entwickelte Porenbren-
Die Strahlungseffizienz der beschriebenen Strukturen ner deckt dabei ein weites Leistungsspektrum von
wurde bei unterschiedlichen spezifischen Brennerleistun- 4-34 kW ab und kann mit unterschiedlichen Brenngasen
Bild 2.2: Fotografien der unter-
suchten keramischen Strukturen
(Strömungsrichtung von unten)
und der Strahlungsbrenner in
Betrieb (links), Strahlungseffizi-
enz eines Strahlungsbrenners
mit den untersuchten kerami-
schen Strukturen über der spezi-
fischen Brennerleistung (rechts)
Bild 2.3: Links: Maßstabs-
getreue Skizze der Bren-
nersektion mit Mischer,
Brenner, Überhitzer,
Dampferzeuger und Re-
kuperator. Die Farbe der
Ströme repräsentiert die
jeweilige Temperatur.
Rechts: Brennersektion
und Dampferzeuger im
Aufbau der Gesamtanlage
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betrieben werden: zum einen mit dem im Prozess anfal- Schwankungen in der Gaszusammensetzung einen sta-
lenden Schwachgas (21 Vol.-% Wasserstoff; Heizwert bilen Brennerbetrieb gewährleisten. Das Brennersystem
2 MJ/kg), zum anderen mit entschwefeltem Rohbiogas mit Überhitzer und Rekuperator wurde am Teilinstitut
(60 Vol.-% Methan; Heizwert 18 MJ/kg), welches dem Pro- Verbrennungstechnik entwickelt, gebaut und ersten
zess als Einsatzstoff dient. Herausforderung dieser Ent- Tests unterzogen. Die Inbetriebnahme der Gesamtanlage
wicklung war die Stabilisierung des Verbrennungsprozes- findet im Frühjahr 2021 nahe Turin (IT) bei ACEA Pinerole-
ses in porösen Strukturen bei stark variierenden Heizwer- se Industriale S.p.A. statt. In der verbleibenden Projekt-
ten und hohen Luftvorwärmtemperaturen durch laufzeit bis zur Jahresmitte wird in Demonstrationskam-
Rekuperation. Die automatisierte Regelung des Brenners pagnen Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,9 % bei ei-
kann dabei auch für Gemische beider Gase und bei ner Energieeffizienz von 80 % produziert.
Im durch die EU geförderten Projekt „Renewable Power
Generation by Solar Particle Receiver Driven Sulphur Storage
Cycle“ (PEGASUS) soll ein geschlossener Speicherkreislauf
basierend auf Schwefel eine grundlastfähige Strompro-
duktion mittels konzentrierter Solarthermie ermöglichen.
Dazu wird ein Solarabsorber mit einem thermochemi-
schen Speichersystem für Sonnenenergie auf Grundlage
von elementarem Schwefel und Schwefelsäure kombi-
niert (siehe Bild 2.4). Durch die Verbrennung von Schwe-
fel lassen sich diese Kraftwerke grundlastfähig machen.
Das vom Teilinstitut Verbrennungstechnik durchge-
führte Teilprojekt entwickelt die Brennertechnologie für
die Verbrennung von Schwefel bei hohen Leistungsdich-
ten, die für den Einsatz in Gasturbinen notwendig sind
und damit eine effektive Stromproduktion mittels kombi-
Bild 2.4: Schema des schwefelbasierten thermochemischen Kreislaufs zur Spei- nierter Gas- und Dampfkraftwerke ermöglichen. Im La-
cherung und Nutzung von Sonnenenergie bormaßstab entsteht dazu ein Schwefelbrenner mit ei-
nem Lastbereich von 10-50 kW. Das entwickelte Brenner-
system mit einem doppel-konzentrischen Drallbrenner
ist in Bild 2.5 zu sehen, das in Anlehnung an das Brenner-
system von Flugtriebwerken konstruiert ist.
Für die Verbrennung von Schwefel bei hohen Leis-
tungsdichten ist der Zerstäubungsprozess entscheidend.
Es wurden bei isothermen Bedingungen (413 K) umfang-
reiche Zerstäubungsexperimente am Teilinstitut Verbren-
nungstechnik durchgeführt (siehe Bild 2.6). Die Tropfen-
größenverteilung wurde mittels Phasen-Doppler-Ane-
mometrie für verschiedene Betriebsbedingungen
bestimmt und als Eingangsgröße zu CFD Berechnungen
und zur Validierung von Modellen verwendet. Die Er-
Bild 2.5: Querschnittsansicht des entwickelten Brenners zum Verbrennen von reichbarkeit der hohen Leistungsdichten mit dem entwi-
Schwefel
Bild 2.6: Zerstäubungsexperimente mit
f lüssigem Schwefel zur Bestimmung
der Tropfengrößenverteilung mittels Phasen-
Doppler-Anemometrie und Visualisierung
des Primärzerfalls mittels Shadowgraphy
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Bild 2.7: Modularer Multibrennerprüfstand zur Untersuchung verschiedener Neigungswinkel von abgehoben brennenden, mageren Flammen
ckelten Brennerkonzept wurde durch hochauflösende
numerische Simulationen bestätigt. Im nächsten Schritt
wird der Schwefelbrenner am Teilinstitut Verbrennungs-
technik getestet.
Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts
CHAIRLIFT (Compact Helical Arranged combustoRs with
lean LIFTed flames) wird ein innovatives Brennkammer-
konzept für Flugzeugantriebe entwickelt, welches das
Potenzial aufweist, die zukünftigen Emissionsziele gemäß
der „Flightpath 2050“ Zielstellung hinsichtlich extrem ge-
ringer Stickoxidemissionen zu erreichen. Bild 2.8: Tropfendurchmesser und -anzahl (links) sowie Tropfgeschwindigkeit
Dafür werden abgehoben brennende, magere Flam- und -anzahl (rechts) während einer Periode bei einer Anregungsfrequenz von
men mit einer sogenannten helikalen Anordnung von 120 Hz
Brennern in der Ringbrennkammer von Flugzeugtriebwer-
ken kombiniert. Bei dieser Anordnung werden Brenner in
Umfangsrichtung bezogen auf die Turbinenachse in einer
Ringbrennkammer geneigt. Dies führt dazu, dass sich die akustischen Phänomen in Flugzeugturbinen untersucht.
abgehobenen brennenden Flammen gegenseitig stabili- Der Beitrag des Teilinstituts für Verbrennungstechnik ist
sieren. Weitere Vorteile sind eine kürzere Brennkammer so- die Untersuchung der Auswirkung einer pulsierenden
wie ein geringerer notwendiger Neigungswinkel der Leit- Luftströmung auf den Zerstäubungsprozess des Brenn-
schaufeln und damit ein geringerer Kühlluftbedarf. stoffes. Hierzu werden grundlagen- und anwendungsori-
Am Teilinstitut Verbrennungstechnik werden die ex- entierte Düsen eingesetzt. Die Luftströmung wird mittels
perimentellen Untersuchungen an einem modularen einer Sirene angeregt, um so sowohl Anregungsfrequenz
Multibrennerprüfstand mit verschiedenen Neigungswin- als auch Amplitude zu kontrollieren. Das Spray wird mit
keln der Brenner durchgeführt (Bild 2.7). Als Brennstoff der optischen Messmethode „Phasen-Doppler-Anemo-
wird Kerosin (JET-A1) eingesetzt. Die ersten Ergebnisse metrie“ phasenabhängig von der Anregung charakteri-
hinsichtlich der Flammenstabilität sind vielversprechend siert. Die Ergebnisse zeigen, dass Anregungsfrequenzen
und im nächsten Schritt erfolgt die Messung der Luftge- unter 400 Hz zu einer starken Schwankung des Sauter-
schwindigkeitsfelder und Abgasemissionen. durchmessers führen. Verantwortlich dafür ist die Sepa-
Im Rahmen des Projekts EU-MAGISTER (Machine lear- rierung der Tropfendurchmesser aufgrund der unter-
ning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance schiedlich starken Wirkung der Trägheitskräfte (siehe Bild
combustoR performance) wird das Auftreten von thermo- 2.8). Dies führt letztendlich zu einer starken Schwankung
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der lokalen Luftzahl in Abhängigkeit von der Anregungs- lenten nicht-vorgemischten Erdgas/Ethen Drallflamme
frequenz, was das thermoakustische Phänomen in der gemessen. Als Ergebnis konnten die Eigenschaften des
Flugzeugturbine wiederum verstärken kann. gebildeten Rußes auch unter Variation des Luftverhältnis-
Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio ses, der Drallzahl und den in Betrieb beobachteten ther-
150 „Turbulente, chemisch reagierende Mehrphasenströ- moakustischen Schwingungen (selbsterregte Verbren-
mung in Wandnähe“, welcher gemeinsam von der TU nungsinstabilität) bestimmt werden. Für die weitere Ana-
Darmstadt und dem KIT durchgeführt wird, wird am Teil- lyse der Rußbildung und -oxidation war es zunächst
institut Verbrennungstechnik die Wechselwirkung zwi- erforderlich, auch die Auswirkung der thermoakustischen
schen Skalartransport und Turbulenz an Wänden experi- Schwingungen auf die Temperaturverteilung im Brenn-
mentell untersucht. Der Versuchsträger besteht dabei aus raum zu klären. Dazu wurde insbesondere auch der Ein-
einer Düse, die mittig mit einer Trennwand versehen ist. fluss akustischer Schwingungen auf die Strömung näher
Die beiden Teilströme propagieren nach Düsenaustritt in untersucht. Die Verteilung der Temperatur und von Ruß-
einer gewissen Distanz gegen eine zur Strömungsrich- vorläuferkonzentrationen (Polyzyklische aromatische
tung senkrechte oder geneigte Wand. Die übergeordne- Kohlenwasserstoffe, PAK), sowie der mit OH*-Chemolu-
te wissenschaftliche Fragestellung der Untersuchungen mineszenz bestimmte Flammenposition und Wärmefrei-
in der generischen motor- und abgassystemrelevanten setzung unter akustischer Anregung in der Flamme wur-
Strömungskonfiguration besteht darin, in Wandnähe de im Anschluss detailliert untersucht. Für die Bestim-
die Interaktion von Impuls-, Wärme- und Stofftransport mung der Rußeigenschaften in einem turbulenten
bei der Anströmung der gasförmigen Scherschicht Strömungsfeld, das bei den praxisrelevanten Bedingun-
zwischen beiden Fluiden zu erforschen. Hierzu werden gen des fett/mager gestuften RQL-Modellbrenners (RQL,
zum einen zur Bestimmung der Skalar- und Geschwindig- „rich burn, quick quench, lean burn“) anzufinden ist, war es
keitsfelder laserdiagnostische Messtechniken, wie die erforderlich, die diagnostische Methode der Zwei-Far-
Planare Laserinduzierte Fluoreszenz (PLIF), die Particle
ben-zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz (LII)
Imaging Velocimetry (PIV)/Particle Tracking Velocimetry für diese Bedingungen zu erweitern. Nur durch die An-
(PTV) und die (2-Punkt-)Laser-Doppler-Anemometrie wendung dieser non-intrusiven laseroptischen Methode
(LDA), eingesetzt. war es möglich, detaillierte Informationen in der unter-
Aus Platzgründen kann hier keine vollständige und suchten, komplexen Strömung zu erhalten.
detaillierte Übersicht über alle Forschungsarbeiten gege- Die Ergebnisse zeigen, dass aufgrund der akustischen
ben werden. Hierzu sei auf direkte Kontakte hingewiesen, Anregung der Luftzufuhr die Konzentrationsgradienten
die sich einfach über die Internetadresse http://vbt.ebi.kit. reduziert werden, was im Endeffekt eine verbesserte Ver-
edu herstellen lassen. mischung von Brennstoff und Luft bewirkt. Daher herr-
schen in der Brennkammer bei Anregung quasi „vorge-
2.3 Abgeschlossene Promotionen mischte“ Verbrennungsbedingungen vor, und demzufol-
Im Jahr 2020 wurde am Teilinstitut Verbrennungstechnik ge wird die Größe lokal brennstoffreicher Zonen stark
eine Dissertation abgeschlossen. Einen Überblick über eingeschränkt. Gleichzeitig können im Fall der Anregung
das Forschungsthema gibt die im Folgenden aufgeführte der Strömung (100 Hz) auch nur kleinere Temperaturgra-
kurze Zusammenfassung der Arbeit: dienten beobachtet werden. Gerade solche Bedingun-
Aleksandar Aleksandrov: Untersuchung der Rußbil- gen hemmen aber die Bildung von PAK, was unmittelbar
dung und -oxidation in turbulenten nicht vorgemischten zu einer Inhibierung der Prozesse der Rußbildung und
Drallflammen – Einfluss von Verbrennungsinstabilitäten. des Rußwachstums führt (Bild 2.9).
(Prof. Dr. H. Bockhorn, Prof. Dr. R. Suntz) Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen weiterhin eindeu-
tig einen direkten Zusammenhang zwischen der PAK-
Die Hauptziele dieser Arbeit waren die experimentelle Konzentration und den Rußeigenschaften in der Flamme.
Untersuchung der Reaktion nicht vorgemischter turbu- Im Fall der 100-Hz-Anregung der Strömung wird eine
lenter Drallflammen auf akustische Störungen bei einer Abnahme des Rußvolumenbruchs f V um ca. 50 % in allen
Reihe von Anregungsfrequenzen (0-350 Hz) sowie des Bereichen der Brennkammer, unter gleichzeitiger Reduk-
Einflusses von Geschwindigkeitsfluktuationen auf die Bil- tion des mittleren Rußpartikelradius, festgestellt. Dieses
dung und Oxidation von Ruß und Rußvorläufermolekü- Ergebnis korreliert sehr gut mit der Veränderung der PAK-
len. Im Fokus dieser Untersuchungen lag dabei die Inter- Konzentration in diesen Zonen: Eine Anregung mit
aktion zwischen thermoakustischen Verbrennungsinsta- 100 Hz verursacht eine Reduktion der Konzentration aller
bilitäten und der Rußentstehung in der Flamme. detektierten PAK (Naphthalin, Acenaphthalin, Indan, In-
Dazu wurden Rußeigenschaften in Verbindung mit den, Pyren, Benzo[ghi]fluoranthen, Cyclopenta[cd]pyren)
Temperatur- und OH*-Chemolumineszenz in einer turbu- in der Flamme. Unter Berücksichtigung der Existenz von
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Bild 2.9: Mittels Zwei-Farben-
zeitaufgelöster LII ermittelter
mittlerer normierter Rußvolu-
menbruch (f V, oben) und mittle-
rer Rußpartikelradius (rm, unten)
unter Anregung der Strömung in
einer turbulenten nicht-vorge-
mischten Drallflamme bei zwei
Düsenabständen HÜB
Rezirkulationszonen bedeutet die dabei beobachtete prozesse an der Rußpartikeloberfläche dominieren, re-
räumliche Verschiebung der Maximalwerte auch eine sultieren in einer Reduktion der Gesamtruß-Konzentra
zeitliche Verschiebung durch ein verzögertes Auftreten tion, der Partikelgröße und der Anzahldichte in der
der maximalen Spezies-Konzentration. Die akustische An- Flamme. Die Vergrößerung der Zone hoher OH*-Che-
regung der Strömung und die dadurch verursachten Ver- molumineszenz weist zudem auf eine Intensivierung der
änderungen in den Bedingungen der Brennkammer füh- Rußoxidationsprozesse mittels OH-Radikalen hin. Dazu
ren eindeutig zu einer Hemmung der Bildungsprozesse beschleunigt die Vergrößerung der inneren Rezirkulati-
von PAK. Die Konzentration von Naphthalin wird um 40 onszone (IRZ) die sekundäre Oxidation der bereits ent-
%, von Acenaphthalin um 50 %, von Pyren um 60 % und standenen Rußpartikel, indem die Verweilzeit dieser Par-
von Cyclopenta[cd]pyren um ca. 30 % reduziert. tikel in einer Region hoher OH-Radikal-Konzentration er-
Die Umverteilung der Konzentration der PAK und die höht wird. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass
Verschiebung der Maximalwerte in Richtung der Düse der Einfluss einer Anregung der Strömung auf die Ruß-
haben eine direkte Auswirkung auf die Prozesse der Ruß- bildung und Oxidation auf zwei Hauptmechanismen
partikelbildung, sowie auf die anschließenden heteroge- beruht. Einerseits kann eine frequenzabhängige Intensi-
nen Prozesse des Oberflächenwachstums. Die Rußbil- vierung der Oxidationsprozesse durch eine Ausdehnung
dungszone (und damit die Bildung von jungem Ruß) wird der Zone hoher Konzentration von OH-Radikalen festge-
unter Anregung der Strömung kleiner und kann mit zeitli- stellt werden, andererseits ist eine ebenfalls frequenzab-
chem Verzug beobachtet werden (Verzögerung der Ruß- hängige Inhibierung der PAK-Bildung zu beobachten.
partikelbildung). Die Zone, in der Koagulationsprozesse Die Berücksichtigung aller diagnostischen Ergebnisse
dominieren, wird in Folge auch verschoben und tritt spä- dieser Arbeit erlaubt es, folgende Hypothese aufzustel-
ter auf. len: Der beobachtete frequenz- und amplitudenabhängige
Die Inhibierung der Bildung von Rußvorläufermole- Einfluss der erzwungenen akustischen Anregung der Strö-
külen und Rußwachstumsspezies, kombiniert mit der mung auf die Prozesse der Rußbildung und -oxidation ist ei-
Vergrößerung der Zone, in der heterogenen Oxidations- ne Folge der signifikanten Änderung des Geschwindigkeits-
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und Temperaturfeldes sowie der OH-Radikal-Konzentration ■■ Nr. 206: Böhler, K.; Dinkov, I. „Ertüchtigung eines kom-
in der Flamme. merziellen Strömungssimulationsprogrammes zum
Aufgrund der akustischen Anregung der Luftzufuhr praktikablen Gebrauch bei realen Brandszenarien“
werden die Konzentrationsgradienten reduziert, was in ■■ Nr. 207: Vetter, M.; Schöps, F.; Schelb, D. „Einsatz von
Folge eine verbesserte Vermischung von Brennstoff und Wärmebildkameras zur Ermittlung der Oberflächen-
Luft bedeutet. Somit herrschen in der Brennkammer in temperaturen von Wohnungstüren bei Bränden“
höherem Maße „vorgemischte“ Verbrennungsbedingun-
gen vor, demzufolge die lokalen brennstoffreichen Zo- Lehre und Weiterbildung an der Landesfeuerwehr-
nen stark eingeschränkt werden. Gerade solche Bedin- schule Bruchsal und an der angegliederten
gungen hemmen die Bildung von PAK (Naphthalin, Acen- Akademie für Gefahrenabwehr
aphthalin, Pyren etc.), was unmittelbar zu einer Abnahme 2020 wurde an der Landesfeuerwehrschule BaWü Unter-
der Rußpartikelbildung und des Rußwachstums führt. Die richt für die Lehrgangsteilnehmer des höheren und ge-
Vergrößerung der Zone hoher OH*-Chemolumineszenz hobenen Dienstes gehalten - pandemiebedingt aller-
weist auf eine Intensivierung der Rußoxidationsprozesse dings in geringerem Umfang als die Jahre zuvor.
mittels OH-Radikalen hin. Dabei wird die sekundäre Oxi-
dation der bereits entstandenen Rußpartikel von der Ver- Laufende Forschungsarbeiten
größerung der IRZ begünstigt. Die Forschungsstelle für Brandschutztechnik (FFB) arbei-
Das Auftreten von Verbrennungsinstabilitäten kann, je tet an verschiedenen Forschungsthemen rund um die
nach Frequenz, gravierende Folgen auf die Prozesse der Gebiete des vorbeugenden, abwehrenden und anlagen-
Rußbildung und Oxidation und somit auf die Rußemissi- technischen Brandschutzes.
on von technischen Verbrennungsanlagen haben. Der Im Rahmen der IMK-Forschung wurden Brandver
frequenz- und amplitudenabhängige Einfluss solcher In- suche durchgeführt, um empirische und numerische
stabilitäten muss unbedingt bei der Rußmodellierung Modelle zu überprüfen. Insbesondere sollten in den
berücksichtigt werden, um eine Erhöhung der Genauig- beschriebenen Versuchen empirische Beziehungen be-
keit von den Vorhersagemodellen zu erreichen. züglich der Flammenlänge von turbulenten Diffusions-
Das Erzeugen verbesserter Homogenität und damit flammen sowie die in der Mittelachse über dem Brand
von quasi „vorgemischten“ Bedingungen in der Flamme auftretenden Temperaturen überprüft werden. Ziel der
mit einer gezielten Anregung der Luftströmung ist eine Untersuchungen ist die Anwendbarkeit der Modelle in
interessante Beobachtung und könnte als Ausgangs- praktischen Anwendungen bei Fragestellungen des vor-
punkt einer neuartigen Strategie zur weiterführenden beugenden und abwehrenden Brandschutzes zu umrei-
Optimierungen von Verbrennungsanlagen in Hinsicht auf ßen. Üblicherweise werden mit numerischen Methoden
deren Umweltverträglichkeit (Reduktion der Rußemissi- bzw. Ingenieurmethoden des Brandschutzes im Allge-
on) angesehen werden. Dabei ist die zur Anregung der meinen, Brandverläufe und Brandfolgen wie Rauchaus-
Strömung benötigte Energie um Größenordnungen klei- breitung und Wärmeeintrag in Strukturteile in Räumen
ner als die Leistung der Flamme. berechnet. Die meisten empirischen Korrelationen wur-
den an freien Bränden ermittelt. Um eine Vergleichbarkeit
2.4 Forschungsstelle für Brandschutztechnik der geometrischen Situation zu schaffen, wurden zwei
IMK-Themen Experimentreihen mit demselben Brenner durchgeführt.
Die Forschungsstelle für Brandschutztechnik ist u. a. von Es kam ein quadratischer Kiesbettbrenner mit einer Sei-
den Bundesländern im Rahmen der Innenministerkonfe- tenlänge von 0,5 m zum Einsatz. An der Unterseite des
renz (IMK) beauftragt, anwendernahe Forschung für die Brenners wurde ein Propan-Butan-Gemisch eingeströmt
Feuerwehren durchzuführen. Im Jahre 2020 wurden dazu und oberhalb des Kiesbettes stabilisierte sich die Flamme.
fünf Forschungsberichte fertiggestellt und veröffentlicht. Im Falle einer als ungestört und frei zu bezeichnenden
■■ Nr. 159: Schelb, D.; Jordan, T. „Besonderheiten und Risi- Umgebung wurden in der Brandversuchshalle der FFB
ken bei alternativ angetriebenen Fahrzeugen“ mit einer Grundfläche von ca. 400 m² und einer lichten
■■ Nr. 204: Augustin, D.; Schöps, F. „Untersuchung des Raumhöhe von ca. 12 m (Setup 1) Brandversuche durch-
Brandverhaltens unterschiedlichen Mobiliars bei re- geführt. Die Versuchsdauer betrug ca. 15 min. Es wurden
produzierbarem Entstehungsbrand - Teil 2“ unterschiedliche Brandintensitäten (100 kW, 150 kW,
■■ Nr. 205: Max, D. „Anwendungsbereiche und -grenzen 200 kW und 250 kW) untersucht. Die angegebenen Leis-
von Ingenieurverfahren bei Nachweisen für die Ein- tungen beziehen sich auf den vollständigen Brennstoff-
haltung der Anforderungen für die Sicherstellung des umsatz des eingestellten Massenstromes verbunden mit
abwehrenden Brandschutzes Teil IV: Ansätze und Be- dem unteren, nominalen Heizwert des Brennstoffgemi-
messungsbrände “ sches.
10 gwf Gas + Energie 7-8/2021
Forschung und Lehre FACHBERICHTE
In einer zweiten Reihe wurden Versuche in einem
Raum mit einer Grundfläche von ca. 25 m² durchgeführt,
der eine lichte Höhe von ca. 2,60 m aufweist und damit
als übliche Raumgeometrie im Hochbau beschrieben
werden kann (Setup 2). Die Beflammungsdauer lag bei
ungefähr 30 min.
Die Flamme und die darüber aufgehende Rauchgas-
säule werden auch als Plume beschrieben. Für diesen
gibt es in der Literatur weitreichende Untersuchungen.
Heskestad [1] beschreibt beispielsweise die über der Hö-
he in der Plumemittelachse auftretende Temperaturerhö-
hung. Die Temperaturmessungen in den Versuchen wur-
den mit Typ K Mantelthermoelementen durchgeführt. In Bild 2.10: Plumetemperaturen nach Heskestad [2008] blaue Kurve und gemesse-
Bild 2.10 werden beispielhaft die gemessenen Tempera- ne Temperaturen (zeitlicher Mittelwert, Minimal- und Maximalwert) links: Setup 1
turen den Werten der empirischen Korrelation gegen- freie Flamme; rechts: Setup 2 Raumbrand
übergestellt, für die Versuche mit einer eingestellten Leis-
tung von 200 kW.
Die Abweichungen der Temperaturen sind im Bereich
der Flammenwurzel deutlich erkennbar. Hier liegen die
Werte der Empirie erwartungsgemäß deutlich von den
gemessenen Temperaturen entfernt. Weiter ist zu erken-
nen, dass die Schwankungen und damit die Bandbreite
der Temperaturen zwischen Minimal- und Maximalwer-
ten mit zunehmender Höhe reduziert werden. Hier domi-
nieren die Verdünnungseffekte aus der kälteren, einge-
saugten Umgebungsluft, die zu einem Temperaturabfall
führen. Die Schwankungen selbst resultieren aus dem für
Diffusionsflammen typischen Flackern.
Neben den Plumetemperaturen sollte auch die Flam-
menlänge der Diffussionsflamme abgeschätzt und mit
bekannten empirischen Modellen verglichen werden.
Hierfür wurde ein Matlab® Algorithmus entwickelt, um
Bildaufnahmen auszuwerten. In Bild 2.11 ist das Ergebnis
der Auswertung zu sehen.
Der Algorithmus ist in der Lage durch die Detektion Bild 2.11: Bild der Diffusionsflamme; rechts: Auswertung mit Matlab
zusammenhängender Bildbereiche gleicher Helligkeit
zwischen Ablösungen der Flamme und dem Flammen-
fuß zu unterscheiden. Für die freistehenden Brände
konnte eine gute Übereinstimmung zwischen den empi-
rischen Werten (200 kW, 129 cm) und den Mittelwerten
der Matlab-Ergebnisse nachgewiesen werden, die Flam-
menablösungen berücksichtigen (200 kW, 135 cm). Im
Falle des Raumbrandes konnte eine Videosequenz mit
15.000 Bildern ausgewertet werden (vgl. Bild 2.12). Mit
Hilfe dieser Bildauswertungsmethode ist es möglich, die
Schwankungen der hier untersuchten Diffusionsflamme
mit oder ohne Flammenablösungen zu erfassen. Wie er-
wartet zeigt die in Bild 2.12 dargestellte Wahrscheinlich-
keitsdichtefunktion eine Normalverteilung der Flam-
menhöhe.
Die im Raumbrand ermittelte mittlere Flammenlänge
lag bei 113 cm und ist damit deutlich kürzer als die erwar- Bild 2.12: Matlab Auswertung für Raumbrand
tete Flammenlänge.
gwf Gas + Energie 7-8/2021 11FACHBERICHTE Forschung und Lehre
Durch das Werkzeug ist es möglich, Flammenlängen der Gasversorgung und -nutzung, der elektrischen Si-
in Brandversuchen anhand von Bildaufnahmen schnell cherheit und elektromagnetischer Phänomene, sofern
und einfach auszuwerten. Es ist möglich Schwankungs- anwendbar, im Komplettpaket durchzuführen.
größen zu ermitteln, die Einfluss auf weitere Feldgrößen Daneben besteht außerdem die Anerkennung als
haben. Zwischen freistehenden Flammen und Flammen Prüflabor für DIN CERTCO für Warmlufterzeuger, Ölbren-
in Räumen sind Unterschiede sowohl in der Plumetem- ner- und -heizkessel, Temperaturregel- und Begrenzungs-
peratur wie auch in der Flammenlänge zu beobachten, einrichtungen für Wärmeerzeugungsanlagen, diverse
die weiter untersucht werden. Regel- und Steuereinrichtungen sowie Wassererwärmer
und Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebs-
2.5 DVGW-Forschungsstelle und Prüflaborato- wasser. Die Kompetenzen des Prüflaboratoriums, ge-
rium Gas stützt durch die intensive Teilnahme an der Regelsetzung
Die Abteilung unter der Leitung von Dr. Jens Hoffmann und die Kooperation mit zahlreichen europäischen Stel-
teilt sich in vier Fachbereiche auf. Diese sind die Abteilun- len, ermöglichen die erfolgreiche Anwendung von Prüf-
gen Verbrennungstechnik, Elektrotechnik/Sicherheitsein- verfahren für neue Technologien im Hinblick auf Energie-
richtungen, Armaturen und Forschung Gasanwendung. effizienz und Sicherheitstechnik unterschiedlicher Brenn-
Hauptaugenmerk liegt auf der Prüfung von Gasgeräten stoffanwendungen. Dies wirkte sich vor allem auf
und Bauteilen in der Gasversorgung und Komponenten für Produktentwicklungsprojekte mit komplexen Schnittstel-
Gasgeräte. Der Bereich Forschung gewinnt durch die For- len und Wechselwirkungen positiv aus. Durch die beste-
cierung des Themenbereichs Wasserstoff zunehmend an henden, umfassenden Akkreditierungen des Prüflabora-
Gewicht und deckt auch die Prüfbereiche ab. Nachfolgend toriums konnten für die unterschiedlichen Bereiche be-
findet sich ein Rückblick auf das Jahr 2020 aus Sicht der lastbare Konformitätsnachweise erstellt werden. Das
Akkreditierung, Standardisierung, Prüfung und Forschung. Themenfeld der Umsetzung der Ökodesign-Richtlinie
(Richtlinie 2009/125/EG) wird durch Mitarbeiter/innen des
Prüflaboratorium Gas – Akkreditierung Prüflaboratoriums weiterhin, auch durch Beteiligung an
Im Jahr 2020 stand ein Audit zur Aufrechterhaltung der Europäischen Gremien, unterstützt.
Akkreditierung an, welches, im Bereich Verbrennungs-
technik vertieft, erfolgreich absolviert wurde. Prüflaboratorium Gas – Normung und
Die Akkreditierungen und Anerkennungen erfolgten im Standardisierung
Einzelnen in folgenden Bereichen bzw. für die Richtlinien: Auch im zurückliegenden Jahr setzten sich die Mitarbei-
■■ Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ter/innen des Prüflaboratoriums im Rahmen der Regel-
■■ Sicherheit elektrischer Betriebsmittel (SEB) setzung, neben den DVGW-internen Gremien und Aus-
■■ Materialprüfungen an Produkten der Gasverteilung schüssen, vor allem auch in nationalen (ca. 55 Ausschüsse
und -verwendung in NAGas, NHRS, FNH, DKE), europäischen (CEN, CENELEC,
■■ Probenahme und ausgewählte Prüfungen von Brenn- EU-Kommission) und internationalen (IEC, ISO) Gremien
stoffen (25 europäische und internationale Gremien zzgl. Arbeits-
■■ Einrichtungen und Ausrüstungsteile in der Gasanwen- gruppen) für die Ziele des DVGW ein. In einigen exponier-
dung und -versorgung ten Stellen belegen Prüfstellenmitarbeiter auch Positio-
■■ Prüfung von Bauprodukten gemäß Verordnung (EU) nen im Vorsitz der Gremien.
305/2011 Hierbei werden z. B. in den Projektkreisen des Techni-
■■ Prüfungen nach Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU schen Komitees „Bauteile und Hilfsstoffe“ sowie „Gasar-
■■ Prüfungen nach Gasgeräteverordnung (EU) 2016/426 maturen“ bisherige DVGW-Prüfgrundlagen sukzessive in
(GAR). DIN-Normen überführt (Träger NAGas). Dabei gilt es zu
bemerken, dass die Europäischen Prüfnormen unverän-
Weiterhin wurde dem Prüflaboratorium als einzige Gas- dert gültig sind, da sie kürzlich neu herausgegeben bzw.
Prüfstelle auch die Kompetenz für die „interne Kalibrie- bestätigt wurden.
rung“ von Temperaturmesseinrichtungen und Klima- In den Technischen Komitees des CEN (z. B. TC 69, TC
schränken bescheinigt. Hinzu kommen internationale 109, TC 234, TC 235, TC 236) wurde damit begonnen, An-
Akkreditierungen für IECEE-Prüfungen (International Com- forderungen und Prüfmethoden zur Wasserstoffeignung
mission on the Rules for the Approval of Electrical Equipment) der Bauteile und Geräte auszuarbeiten. Der systematische
(„CB Testing Laboratory“). Aufbau der H2-Kompetenz im DVGW und damit der nati-
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass es onalen und europäischen Normung soll durch ein Inves-
dem Prüflabor möglich ist, die Prüfungen aller Kompo- titionsprogramm aus Forschungsrücklagen und Vereins-
nenten und Materialien sowie Sicherheitseinrichtungen mitteln gefördert werden. Die Technischen Komitees sind
12 gwf Gas + Energie 7-8/2021Forschung und Lehre FACHBERICHTE
aufgefordert, hierzu Kernthemen zu benennen, die durch Prüflaboratorium Gas – Forschung und Entwicklung
Forschungsvorhaben oder andere Zuarbeiten unterstützt Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten bildeten in 2020
werden sollen. So wurde beispielsweise im TK „Gasarma- weiterhin mehrere Wasserstoffprojekte. Die Forschung
turen“ die Neugründung zweier Projektkreise zum Thema lieferte auch die Grundlagen für die Erstellung z. B. des
H2-Readiness für Neu- und Bestandsarmaturen initiiert Zertifizierungsprogramms ZP 3100 der DVGW CERT für 20
(tätig seit Februar 2020). Vol.-% Wasserstoffbeimischung, welches Ende 2020 ver-
öffentlicht wurde. Neben der Fortführung der im Jahr
Prüflaboratorium Gas – Prüftätigkeiten 2019 gestarteten Projekte, z. B. EU-Projekt THyGA (Testing
Im Bereich Verbrennungstechnik war neben der Beteili- Hydrogen Admixtures for Gas Applications), DVGW-Projekt
gung bei Untersuchungen an wasserstofforientierten Pro- G 201902 „Wasserstoff in der Gasinfrastruktur: DVGW/Ava-
jekten die initiative Entwicklung einer Prüfvorschrift für die con-Pilotvorhaben mit bis zu 20 Vol.-% Wasserstoff-Einspei-
Zertifizierung von Gasgeräten zum Betrieb mit Methan/ sung in Erdgas“ (H2-20) und DVGW-Projekt G 201901 „Road-
Wasserstoff-Gemischen (bis 20 % H2-Zumischung) eine he- map Gas 2050“, konnte auch die technisch-wissenschaftli-
rausragende Aktivität. In Zuge der zunehmenden Aktivitä- che Begleitung der „Wasserstoff-Insel Öhringen“ der Netze
ten in der Gaswelt wurden zahlreiche Heizgeräte mit was- BW eingeworben werden. Bei der „Wasserstoff-Insel Öhrin-
serstoffhaltigen Gemischen geprüft. Auch im Rahmen der gen“ strebt der Netzbetreiber in einem kleinen Inselnetz
Gasgerätearmaturen konnte eine Zunahme der Projekte mit ca. 30 Gasanschlussnehmern die Beimischung bis zu
bzgl. der Anwendung von Wasserstoff festgestellt werden. 30 Vol.-% Wasserstoff im Bestand an. Bei der Beimischung
Trotz der Auswirkungen durch COVID-19 waren die von 30 Vol.-% Wasserstoff können energieäquivalent 12 %
Anzahl der Prüfaufgaben in den Bereichen Verbren- CO2-Reduktionen gegenüber Methan erzielt werden, bei
nungstechnik und Elektrotechnik/Sicherheitseinrichtun- 20 Vol.-% fällt die Reduktion mit 7,4 % etwas geringer aus.
gen und die Anfragen der Hersteller weitestgehend be-
ständig und konnten zuverlässig abgearbeitet werden. Testing Hydrogen Admixture for Gas Applications –
Im Bereich der Armaturen konnten pandemiebedingt THyGA
kaum Vor-Ort-Prüfungen durchgeführt werden, was im Der Gewerbe- und Wohnungssektor stellt mit ca. 200
Wesentlichen die Überwachung der zertifizierten Pro- Mio. Geräten den größten Erdgasverbrauch in der Euro-
dukte betraf. So musste die Probenahme für die soge- päischen Union dar. In diesen Bereich entfallen damit et-
nannten Kontrollprüfungen (1/3 des Umsatzes) im We- wa 40 % des europäischen Gesamtgasverbrauchs [2]. Ein
sentlichen den Zertifikatinhabern übertragen werden, möglicher Ansatz, um den CO2-Ausstoß zu reduzieren,
die Prüfungen erfolgten im Prüflaboratorium nach Zu- wäre das Zumischen von Wasserstoff aus erneuerbaren
sendung der ausgewählten Proben. Dadurch kam es zu Energien (Low-Carbon Hydrogen) [3] in die vorhandenen
zeitlichen Verzögerungen und Mehraufwand. Dennoch Erdgasnetze. Hier ist es das Ziel des THyGA Projektes Wis-
konnten alle der Prüfstellen auferlegten Überwachungs- senslücken zu schließen, um die breite Nutzung von
tätigkeiten fristgerecht durchgeführt werden. Wasserstoff-Erdgasgemischen zu ermöglichen [2].
Weiterhin konnte zur weiteren Steigerung der Leis- Hierfür wurde eine Segmentation von vorhandenen
tungsfähigkeit und der Kundenzufriedenheit die maschi- Technologien, die sich auf dem Europäischen Markt be-
nelle Ausstattung des Bereichs um einen Zugprüfstand finden, vorgenommen und diese kategorisiert, um ein
der Fa. Form + Test Prüfsysteme, Riedlingen, erweitert repräsentatives Bild der Endverbrauchergeräte darzustel-
werden. Die technischen Daten dieses Prüfstandes sind: len. Aus diesen Gerätepopulationen wurde dann ein
■■ max. Prüfkraft 200 kN Querschnitt ausgesucht, der von verschiedenen Labo-
■■ Prüfraumhöhe 2700 mm ren/Projektpartnern nach einem definierten Prüfplan ver-
■■ Prüfraumbreite 660 mm messen wird [4].
■■ Messbereich 2 bis 200 kN Das Prüflaboratorium Gas ist in diesem Projekt stark
■■ Prüfgeschwindigkeit 0,001 bis 300 mm/min vertreten, vor allem bei der Charakterisierung einer großen
■■ gleichzeitige Innendruckbeaufschlagung bis 400 bar Anzahl von Endgeräten bei unterschiedlichen Wasserstoff-
mit Wasser. beimischungen. Zu diesem Zweck hat das Prüflaboratori-
um Gas eine Mischanlage zur Herstellung verschiedener
Der Zugprüfstand wurde im Dezember 2020 von Mitar- Wasserstoffgasgemische geplant und aufgebaut. Hier-
beitern des Prüflaboratoriums beim Hersteller abgenom- durch gibt es die Möglichkeit, Gasgemische mit einer Was-
men, ist inzwischen ausgeliefert und in Betrieb genom- serstoffkonzentration von 1-99 % herzustellen, um für die
men. Weiterhin ist es damit möglich, die Hersteller auch Projekte verschiedene Erdgasqualitäten zu simulieren.
außerhalb des Zertifizierungsprozess, z. B. im Entwick- Die Ergebnisse aus den Messungen der Projektpartner
lungsprozess mit neuen Materialien, zu unterstützen. und vom Prüflaboratorium Gas werden im Verlauf dieses
gwf Gas + Energie 7-8/2021 13FACHBERICHTE Forschung und Lehre
Projektes analysiert und ausgewertet. Die Ergebnisse Im Januar 2020 startete die praktische Umsetzung mit
werden genutzt, um Standards für die Prüfung von Feue- Informationsveranstaltungen der Vertragsinstallationsun-
rungsanlagen bei Erdgas/Wasserstoff Mischungen zu ternehmen und Schornsteinfeger. Die Bürgerversamm-
schaffen. lungen mussten coronabedingt von März in den Septem-
ber 2020 verschoben werden. Direkt im Anschluss wur-
H2-20 den die umfangreichen Ersterhebungen der ca. 340
Das DVGW-Projekt H2-20 untersucht die Wasserstoffzumi- Haushalte durch das beauftragte Gas- und Wärme-Insti-
schung von bis zu 20 Vol.-% in einem Bestandsgebiet des tut Essen e. V. gestartet. Bis Ende 2020 konnten bereits
Netzbetreibers und Projektpartners Avacon Netz GmbH 224 Datensätze erfasst werden. Die Altersverteilung zeigt
in der Modellregion Fläming, die Projektkoordination Bild 2.14 mit einer bimodalen Altersverteilung der Gas-
liegt bei der DVGW-Forschungsstelle. Die Region wurde geräte in dem Netzgebiet, dass 1994 errichtet wurde. Eini-
u. a. auch wegen des hohen Anteils erneuerbarer Strom- ge ältere Gasgeräte wurden von Flüssiggasbetrieb auf
erzeugung ausgewählt, was Bild 2.13 andeuten soll. Erdgasbetrieb umgerüstet.
Den höchsten Anteil haben Gasbrennwertgeräte, ge-
folgt von Heizwert-, wenigen Küchengeräten und einem
Blockheizkraftwerk (BHKW) (Bild 2.15). Bei der Ersterhe-
bung wurden alle Geräte auch mit dem Prüfgas G 222 mit
23 Vol.-% Wasserstoff auf Funktion und Emissionen ge-
prüft. Die positiven Auswirkungen der Wasserstoffbeimi-
schung zeigen Bild 2.16 und 2.17 mit einer deutlichen
Reduktion der Emissionen an Kohlenmonoxid bzw. Stick-
oxiden, wenngleich die Erdgas-Messungen für den tech-
nisch und altersmäßig sehr heterogenen Bestand bereits
auf niedrigem Niveau lagen.
Die Bilder 2.16 und 2.17 verdeutlichen den bereits
bekannten Trend bei häuslichen Wärmeerzeugern [5],
dass die CO- und NOx-Emissionen tendenziell durch die
Wasserstoffbeimischung abgesenkt werden. Bei Beauf-
schlagung der Geräte mit G 222 reduzierten sich bei Voll-
last im Mittel die CO-Emissionen um ca. 35 % und die
NOx-Emissionen um ca. 23 % gegenüber den Messungen
Bild 2.13: Gasdruckregelanlage Schopsdorf mit einer von zahlreichen Wind- mit Erdgas. Bei Kleinlast lagen die Reduktionen bei 9 %
kraftanlagen in der Region Fläming, Quelle: DVGW-EBI für CO und ca. 31 % für NOx. Die Ergebnisse werden fort-
Bild 2.14: Altersverteilung der erhobenen Gas-
geräte Ende 2020, Quelle: DVGW-EBI
14 gwf Gas + Energie 7-8/2021Forschung und Lehre FACHBERICHTE
Bild 2.15: Verteilung der Gasgerätearten Ende
2020, Quelle: DVGW-EBI
Bild 2.16: Anzahl der Geräte über CO-Emissio-
nen (luftfrei, trocken) bei Volllast für den tech-
nisch und altersmäßig heterogenen Bestand,
die CO-Emissionen fielen im Mittel bei G 222
um ca. 35 % niedriger als bei den Messungen
mit Erdgas aus,
Quelle: DVGW-EBI
Bild 2.17: Anzahl der Geräte über NOX-Emissio-
nen (luftfrei, trocken) bei Volllast für den tech-
nisch und altersmäßig heterogenen Bestand,
die NOX-Emissionen fielen im Mittel bei G 222
um ca. 23 % niedriger als bei den Messungen
mit Erdgas aus,
Quelle: DVGW-EBI
gwf Gas + Energie 7-8/2021 15FACHBERICHTE Forschung und Lehre
laufend durch das Projektteam auch unter Einbindung aggregates during low-temperature oxidation, Proceedings of
der Gerätehersteller analysiert, um das hohe Sicherheits- the Combustion Institute 38 (2020), in press, (doi:10.1016/j.pro-
ci.2020.06.338).
niveau der Gasverwendung auch bei der Wasserstoffbei-
Hansinger, M.; Zirwes, T.; Zips, J.; Pfitzner, M.; Zhang, F.; Habisreuther, P.;
mischung beizubehalten. Die bisherigen Ergebnisse se-
Bockhorn, H.: The Eulerian stochastic fields method applied to
hen sehr vielversprechend aus. Die Erhebungen laufen large eddy simulations of a piloted flame with inhomogene-
auch in 2021 unter Corona-Bedingungen weiter, mit ei- ous inlet, Flow, Turbulence and Combustion 105 (2020), S. 837-
nem Beginn der Einspeisung wird für die Heizsaison 867, (doi:10.1007/s10494-020-00159-5).
2021/2022 gerechnet. Horn, H.; Kolb, T.; Trimis, D.; Klinger, J.: Engler-Bunte-Institut des Karlsru-
Weitere Projekte behandeln vor allem die Themen her Instituts für Technologie (KIT) im Jahre 2019; DVGW-For-
schungsstelle am EBI, Forschungsstelle für Brandschutztech-
brennstoffflexible Verbrennungsregelungen und die Be-
nik und TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser, Teil 1, gwf-
stimmung der Wasserstoffverträglichkeiten, um industri- Wasser I Abwasser (2020) Nr. 6.
ellen Partnern Daten und Lösungen für die Zukunft be- Horn, H.; Kolb, T.; Trimis, D.; Klinger, J.: Engler-Bunte-Institut des Karlsru-
reitstellen zu können. her Instituts für Technologie (KIT) im Jahre 2019; DVGW-For-
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16 gwf Gas + Energie 7-8/2021Sie können auch lesen
