title: Entwicklung und Optimierung eines Wasserstoff/Kerosin Dual-Fuel Brennverfahrens
Creators: name: Hubich, Tristan
Publisher: name: TU Wien
Year: 2024
Subjects: subject: Wasserstoff
subject: Dual-Fuel
subject: Brennverfahren
subject: Luftfahrt
subject: CO2-Reduktion
subject: Hydrogen
subject: dual-fuel
subject: combustion process
subject: aviation
subject: CO2 reduction

description: Der globale Ausstoß an Treibhausgasen und der damit einhergehende, menschengemachte Klimawandel ist ohne Zweifel eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Bereits heute sind erste Auswirkungen deutlich zu spüren und Wetterextreme wie Dürren, Hitzewellen oder Überschwemmungen treten immer häufiger und stärker auf. In den vergangenen Jahrzehnten wurden seitens der Politik als auch der Forschung und Entwicklung erhebliche Anstrengungen geleistet, um den CO2-Ausstoß verschiedenster Sektoren zu reduzieren – oftmals auch mit Erfolg. In einigen Bereichen jedoch, wie etwa dem Verkehr und speziell der Luftfahrt, sind die Emissionen vor allem aufgrund des höheren Verkehrsaufkommens deutlich angestiegen. Untersuchungen des Europäischen Parlaments zufolge stiegen die Treibhausgasemissionen des internationalen Luftverkehrs zwischen 1990 und 2019 um den Faktor 2,5, insgesamt sind 2021 etwas mehr als drei Prozent der weltweiten Emissionen der Luftfahrt zuzurechnen. Zudem sind die Einsatzmöglichkeiten alternativer Antriebe wie elektrochemische Energiespeicher aufgrund der technischen Anforderung sehr begrenzt, der Flugverkehr erweist sich somit als besonders schwierig zu decarbonisieren.Eine vielfach kolportierte Möglichkeit zur Reduktion des Treibhausgasausstoßes in derartigen Bereichen ist die Verwendung von Wasserstoff als kohlenstofffreier Energieträger. Im Rahmen dieser Arbeit wird nun ein Wasserstoff/Kerosin Dual-Fuel Brennverfahren erarbeitet. Dabei wird ein Teil des fossilen, kohlenstoffhältigen Kraftstoffes Kerosin durch Wasserstoff ersetzt,wodurch die Treibhausgasemissionen proportional zur Substitutionsrate reduziert werden können. Nach einer einleitenden Literaturrecherche wird der Versuchsträger, ein Vierzylinder-Kerosinmotor, für den Versuchsbetrieb vorbereitet. Aus Kosten- und Komplexitätsgründenwerden die Versuche im Einzylinderbetrieb durchgeführt, die dafür notwendigen Anpassungen wie auch die für den Dual-Fuel Betrieb erforderlichen Adaptionen werden erläutert. Zusätzlich wird eine einheitliche Messmethodik entwickelt um die Vergleichbarkeit der Messungen zu garantieren.In einer ersten Basisvermessung wird nun schrittweise die Kerosinmenge reduziert und entsprechend durch Wasserstoff substitutiert. Die wesentlichen Betriebsparameter werden dabei – soweit möglich – aus dem Serienstand übernommen. Ziel dieser ersten Untersuchungen ist, den seriennahen Substitutionsbereich sowie die dazugehörigen Kenngrößen wie Wirkungsgrad und Emissionsniveau zu erheben. In der einhergehenden Analyse dieser Basisvermessung werden die Auswirkungen der Wasserstoffzufuhr auf verschiedenste Parameter der motorischen Verbrennung untersucht und mit dem herkömmlichen Kerosinbetrieb verglichen. Des Weiteren werden eine Reihe ausgewählter Variationen vorgestellt, primäres Ziel ist die Erweiterung des darstellbaren Substitutionsbereiches respektive eine Verbesserung des Wirkungsgrades. In einem abschließenden Rückblick werden die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Untersuchungen zusammengefasst sowie die Eignung der Variationen beurteilt.
description: Global emissions of greenhouse gases and the associated man-made climate change are without a doubt one of the greatest challenges of our time. The first effects can already be clearly felt today and weather extremes such as droughts, heat waves or floods are becoming more frequent and severe. In recent decades, considerable efforts in a wide range of sectors to reduce CO2 emissions have been made by politics as well as by researchers - often with success. However, in some areas, such as transport and especially aviation, emissions have increased significantly, primarily due to the higher volume of traffic. According to studies by the European Parliament, greenhouse gas emissions from international aviation increased by a factor of 2.5 between 1990 and 2019, and in 2021 just over three percent of global emissions can be attributed to aviation. In addition, the possible uses of alternative drives such as electrochemical energy storage are very limited due to the technical requirements, making airtraffic particularly difficult to decarbonize.A widely reported option for reducing greenhouse gas emissions in such areas is to use hydrogen as a carbon-free energy source. As part of this work, a hydrogen/kerosene dual-fuel combustion process is now being developed. Part of the fossil, carbon-containing kerosene is replaced by hydrogen, which means that greenhouse gas emissions can be reduced inproportion to the substitution rate. After an introductory literature search, the test mule, a four-cylinder diesel engine, is prepared for test operation. For reasons of cost and complexity, the tests are carried out in single-cylinder operation. Necessary adjustments as well as the adaptations required for dual-fuel operation are explained. In addition, a uniform measurement methodology is being developed to guarantee the comparability of the measurements.In a first basic measurement, the amount of kerosene is now gradually reduced and replaced accordingly with hydrogen. The essential operating parameters are – as far as possible – taken from the series version. The aim of these initial studies is to determine the near-series substitution range and the associated parameters such as efficiency and emission levels. Inthe accompanying analysis of this basic measurement, the effects of hydrogen supply onvarious parameters of engine combustion are examined and compared with conventional kerosene operation. Furthermore, a number of selected variations are presented, the primary aim being to expand the possible substitution range or to improve the efficiency. In a final review, the findings from the previous studies are summarized and the suitability of the variations is assessed.