Chemische Kinetik und Analytik

Hochtemperatur-Strömungsreaktor
Auf der linken Seite ist das Molekularstrahl-Massenspektrometer mit dem Probennahme-System – bestehend aus der Quarz-Düse und Skimmer – zu sehen. Rechts im Bild der Hochtempertatur-Ofen mit glühendem Keramikrohr zur Untersuchung der Brennstoffe.
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Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf synthetischen Fuels aus erneuerbaren Quellen, die in den Bereichen Energie, Luftfahrt und Verkehr zum Einsatz kommen.

Wir analysieren gasförmige und flüssige Energieträger im Hinblick auf ihre chemische Zusammensetzung, Eigenschaften und Verbrennungschemie und können anhand dieser Analyse die Entstehung von möglichen Schadstoffen vorhersagen. Die praktische Analyse der Emissionen und ihre Auswirkungen auf die Luftqualität in Labor- und Feldversuchen runden das Aufgabenspektrum ab. Dabei werden sowohl analytische als auch kinetische Fragestellungen der Verbrennungschemie von den wissenschaftlichen Grundlagen bis zur technischen Applikation systematisch bearbeitet.

Flüssiger synthetischer Treibstoff im Labor
Für die Untersuchung von Treibstoffproben mittels der Differentialthermoanalyse müssen diese in spezielle Probenbehälter gefüllt werden.

Synthetische Fuels werden gezielt designt

Das dabei erworbene Wissen bringen die Forschenden aus der Abteilung bei der Charakterisierung, Bewertung und Optimierung flüssiger Brennstoffe ein, die überwiegend aus dem Bereich der Sustainable Aviation Fuels (SAF) und vor allem der strombasierten Kraftstoffe (e-Fuels) stammen. Es ermöglicht uns, synthetische Fuels gezielt so zu designen, dass bei ihrer Verbrennung weniger Emissionen entstehen. Zusammen mit den Kolleginnen und Kollegen aus der Abteilung Mehrphasenströmungen und alternative Treibstoffe (MAT) haben wir das Prescreening für Treibstoffe in der Luftfahrt und das Technical Fuel Assessment für Brennstoffe aus allen Mobilitätsbereichen entwickelt. Damit ermöglichen wir Technologietransfer in diesem Bereich.

Die Abteilung verfügt über eine umfassende experimentelle Ausstattung in den Bereichen der chemischen Analytik und chemischen Kinetik. In der chemischen Analytik ist die Bestimmung ausgewählter physikalischer Eigenschaften sowie die detaillierte chemische Zusammensetzung mittels zweidimensionaler Gaschromatographie verortet. Dabei werden diese und andere Methoden für die Fragestellungen adaptiert und weiterentwickelt, die weit über den Stand der Technik hinaus gehen. Die experimentell-kinetische Ausstattung umfasst die Großanlage der Stoßwellenrohre verschiedener Größen, einen Hochdrucklaminarbrenner sowie spezialisierte Molekularstrahl-Massenspektrometrie (MBMS), die mit Strömungsreaktoren und Laminarflammen gekoppelt wird.

Modellierung Flamespeeds

Die Abteilung entwickelt ihre eigene Software

Die experimentellen Daten werden zur Entwicklung, Validierung und Optimierung kinetischer Reaktionsmechanismen bereitgestellt. Die Entwicklung der chemischen Mechanismen und ihre Optimierung und Reduzierung erfolgen mit eigenen Werkzeugen (z.B. Software linTM). Abgerundet wird das experimentelle Portfolio mit der messtechnischen Erfassung der Gas- und Partikelphase, etwa in Abgas-Emissionen oder zur Bestimmung der Luftqualität. Eine Besonderheit ist dabei die Untersuchung von Ultrafeinstaubpartikeln in Feldversuchen, stationär oder im mobilen Einsatz. Hier kommen von der Gas- bis zur Partikelphase eine komplementäre Messtechnik für stationäre Anwendungen an Prüfständen sowie ein modernes mobiles Messlabor zum Einsatz.

Die Kernkompetenzen der Abteilung gliedern sich in folgende Bereiche:

Chemische Analytik

  • Experimentelle Reaktionskinetik
  • Numerische Reaktionskinetik
    • Reaktionsmechanismen 
  • Emissionen und Luftqualität
  • Synthetische Kraft-, Brenn- und Treibstoffe

Prescreening neuer Treibstoff-Kandidaten

Die Einführung alternativer Treibstoffe für die zivile Luftfahrt ist mit großen Herausforderungen für Hersteller verbunden, auch wenn die Nachfrage nach sustainable aviation fuels (SAF) - nicht zuletzt aufgrund der neuen gesetzlichen Vorgaben für Beimischquoten in der EU und in den USA - inzwischen zunimmt.

Technical Fuel Assessment

Das Technical Fuel Assessment bietet eine umfassende, maßgeschneiderte Analyse, die - anders als das Prescreening von neuen, nachhaltigen Treibstoffen in der Luftfahrt - prinzipiell für jeden chemischen Energieträger aus den Bereichen Raumfahrt, Schifffahrt oder bodengebundenem Verkehr geeignet ist.

Luftqualität und Monitoring mit Schwerpunkt Ultrafeinstaub (UFP)

Aufgrund des gestiegenen Interesses an einer gesunden Luftqualität in Städten rücken Emissionsquellen im urbanen Umfeld stärker in den Fokus.

Emissionsmessungen mit Schwerpunkt Partikel

Ein wesentliches Ziel der Forschungsaktivitäten im Bereich Chemische Kinetik und Analytik ist die Verbesserung der lokalen Luftqualität durch die Identifikation von relevanten Emissionsquellen und Entwicklung von Minderungsmaßnahmen.

Chemisch-kinetische Reaktionsmodelle

Chemisch-kinetische Modelle sind der Schlüssel zum Verständnis und der Simulation reaktiver Verbrennungsprozesse. Unser Ziel ist es hierbei, akkurate und effiziente Modelle für die CFD bereitzustellen und für erste Fuel-Bewertungen und Vorauslegungen von Verbrennungssystemen direkt anzuwenden.

Erstellung von Validierungsdatensätzen

Die Modellierung technischer Verbrennungsprozesse, z.B. in stationären oder Fluggasturbinenbrennkammern, wird durch die Verknüpfung verschiedenster Teilmodelle innerhalb einer "Computational Fluid Dynamics" Simulation ermöglicht.

Kontakt

Dr. Markus Köhler

Abteilungsleiter
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Verbrennungstechnik
Chemische Kinetik und Analytik
Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart