CE2

• Energienutzung

• Primäre Energiequellen

• Energiewandlungsprozesse

• Explosionsverhalten

• Zündverzugszeit

• Brenngeschwindigkeit

• Schadstoffbildung

die Entwicklung von Gesetzmäßigkeiten, die den zeitlichen Verlauf von Reaktionen in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Konzentration beschreiben

· Maximale Temperatur gering halten

· Verweilzeit in Bereichen hoher Temperaturen gering halten

· O2 Konzentration in Bereichen hoher Temperaturen niedrig halten

· Gifitg

· Umweltschädlich

· Schwer vorherzusagen durch:

o Komplexe Reaktionskinetik

o Partikeldynamik

Heterogene Chemie

PM10 gibt die Partikelgröße in µm wieder:

PM10: Inhalierbar: Grober Feinstaub

Bleiben in der Nasenmuschel, Bronchien und Rachen hängen

PM2,5: Lungengängig: kleinere Feinstaubpartikel

Dringen in die Bronchien ein

PM0,1: Lungengängig: Ultrafeinstaub

Gelangen sogar in die Lungenblässchen und in den Blutkreislauf

· Ruß hat einen deutlichen Einfluss auf das polare Eisschmelzen

· Schmutziger Schnee reduziert die Eisalbedo

· Braune Wolken verursachen eine regionale Erwärmung

· Mehr Ruße bei niedriger Luftzahl

· Ruß ist am Brennkammeraustritt fast vollständig oxidiert

· Sehr hohe Intermittenz (größenteils laminarer Abschnitt, der durch turbulente, chaotische Phasen unterbrochen wird)

· Beschleunigen den Reaktionsablauf

· In vielen Fällen Schlüssel für chemische Stoffumwandlungen

· ermöglicht Alternative Reaktionspfade

· Barrieren hoher Aktivierungsenergien werden umgangen

· Chemische Gleichgewichte werden nicht beeinflusst

. Katalysatoren werden nicht verbraucht

· Homogener Katalysator:

o Katalysatoren und Reaktanten in gleicher Phase

· Heterogener Katalysator:

o Getrennte Phasen

· Aktivität

o Umsatzgeschwindigkeit der katalytischen Reaktion

· Selektivität

o Anteil der Ausgangstoffe, der in gewünschtes Produkt überführt wird

o Anteil der unerwünschten Reaktionen

· Stabilität

o Lebensdauer

o Reduktion der Wirkung

o Zersetzung

o Verkokung

o Vergiftung (Blockieren aller aktiven Stellen)

· Brennstoff und Oxidator werden dem Brennraum getrennt zugeführt

· Brennstoff und Oxidator müssen stöchiometrisch gemischt sein

· Mischung von Oxidator und Brennstoff ist der langsamste Schritt und somit geschwindigkeitsbestimmend

· Verbrennung in einer Diffusionsflamme erfolgt in einer singulären Fläche stöchiometrischer Mischung

· Brennstoff und Sauerstoff diffundieren von entgegengesetzten Seiten in die Flammenfläche hinein

· Sie verschwinden dort, während die Produktkomponenten und die Temperatur dort ein singuläres Maximum haben

Beschreibt das ideale Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft in einer Verbrennung

In der Nähe der stöchiometrischen Mischung werden zu hohe Flammentemperaturen berechnet, wenn realistische Werte für Reaktionsenthalpie und Wärmekapazitäten gewählt werden

Durch-/umströmten Körper vergrößern

Strömungsgeschwindigkeit erhöhen

Weniger zähes Fluid

· Wärmeleitung aus der Reaktionszone entgegen der Strömungsrichtung àVorwärmzone wird kontinuierlich aufgeheizt

· Diffusion der Reaktanden Sauerstoff und Brennstoff in die Reaktionszone

· Cross-Over Temperatur Ti am Übergang zu der Reaktionszone

Dicke der Reaktionszone ist ein Zehntel der Flammendicke --> ersten 90 % Flamme, letzten 10 Reaktionszone

• Geht im Grenzfall verschwindener Varianz in eine Gaußfunktion über

• Beschreibt im Grenzfall maximaler Varianz eine Doppel-Delta-Funktion

• Unendlich schnelle irreversible Chemie: Burke Schumann Lösung (Flammenflächenmodell) Da--> unendlich

• Unendlich schhnelle reversible Chemie: Chemisches Gleichgewicht

• schnelle, aber nicht unendlich schnelle Chemie: Flamelet-Betrachtung für nicht vorgemischte Verbrennung 1<<Da<<unendlich

"Momentanwertgleichung - Mittelwertgleichung = Fluktuationsgleichung

• hohe gravimetrische Energiedichte

• Geringe Viskosität bei niedrigen Temperaturen notwendig

• Betrieb von konventionellen Turbinen

Biodiesel und hydriertes Pflanzenöl

Fischer-Tropsch Kraftstoffe

Sustainable Aviation Fuels

1. Reinigung: Unreinheiten werden aus dem Pflanzenöl entfernt

2. Umwandlung zu kurzkettigen Paraffinen

3. Isomerisation und Cracken langkettiger Paraffine

• sehr hohe ungedehnte laminare Brenngeschwindigkeit

• negative Markstein Zahl

• Entstehung von Instabilitäten

Der Wasserstoffverbrauch in der chemischen Reaktion ist kettenverzweigend

• Eine Halbreaktion setzt Elektronen aus einer Spezies frei

• Spezies wird Reduktionsmittel genannt

• Elektrode, an der Oxidationsreaktionen stattfinden, heißen Anode

• Halbreaktionen fügt Elektronen zu der Spezies hinzu

• Spezies wird Oxidationsmittel genannt

• Elektrode, an der die Reduktionsreaktion stattfinden heißen Kathode

Definition: Stoff oder Stoffmischung, in der sich geladene Atome oder Moleküle frei bewegen können

Aufgaben:

• Transport der Ionen von der Anode zu der Kathode

• Trennung der Elektroden

• Transport von Edukten zur Reaktionsfläche

• Abtransport von Produkten

Ionische Leitfähigkeit ist eine stoffspezifische Größe zur Charakterisierung der Ionenbeweglichkeit im Elektrolyten

• Beschreibt die Durchtrittsstromdichte als Funktion der Überspannung

• Nur für einfache Elektronentransferreaktionen gültig

• In Mehrschrittreaktionssystemen sind Erweiterungen der Gleichungen notwendig, dennoch eine gute Näherung

• Erhöhung der Eduktkonzentration

• Reduktion der Aktivierungsenergie durch Katalysatoren

• Erhöhung der Temperaturen

• Erhöhung der Reaktivität durch Oberflächenvergrößerung

• Linerarer Bereich, wenn die Überspannung gering ist (j<<j0)

• Logarithmischer Bereich, wenn die Überspannung groß ist (j>>j0) --> Anteil in Butler Volmer Gleichung = 0?

• Empirische Vereinfachung der Butler Volmer Gleichung

• nur gültig bei mittleren - hohen Stromdichten

• Bei Überspannung =0 ist die Butler Volmer Gleichung zu verwenden

• Minimierung der Elektrolytdicke (Begrenzt durch Kurzschlussspannung)

• Maximierung der Leitfähigkeit

• Flüssigkeit

• Polymere

• Keramik

Maximierung des maximalen Stroms jL:

• Durch dünne Diffusionsschicht

• Hohes Konzentrationsgefälle

Minimierung von c:

• Durch Optimierung von Geometrie und Strömung

• Zusätzliche Verluste durch Kinetik, Widerstände und Transport

• Beinhaltet ungewollte Nebenreaktionen und Gasströme

• Maximalspannung und maximale Stromdichte werden reduziert

• im Normalbetrieb geringen Einfluss

Vorteile:

• Höchste Leistungsdichte aller Brennstoffzellenklassen

• Gute Start Stopp Eigenschaften

• Geringe Betriebstemperatur

Nachteile:

• Teures Platin als Kaltalysator

• Membran teuer

• Aktives Wassermanagement erforderlich

• Geringe Toleranz gegenüber CO und S

• Konvektiver Transport von Edukten zur GDL

• Konvektiver Abtransport von Produkten an der GDL

• Diffusion von Edukten zur Katalysatorschicht

• Diffusion von Produkten zum Strömungskanal

• Leitung von Elektronen

• Abtransport von flüssigem Wasser

• Aus Karbonfasern mit hydrophober Behandlung hergestellt

• Verwendung eines Polymers als Elektrolyt

• Ionentransport findet im Wasser statt

• Hydrophile Schwefelsäuregruppen an den Kettenenden führen zu Wasserkanälen

• Wassergehalt im Polymer wichtig für Leitfähigkeit

• Anoden- und Kathodenreaktionen finden an der Dreiphasengrenze Gasphase, Elektrode und Elektrolyt statt

• Wasser- und Sauerstoff müssen in die Katalysatorschicht diffundieren können

• Unterkategorie der PEMFC

Vorteil:

• flüssiger Brennstoff --> höhere Energiedichte

Nachteile:

• Teures Platin als Katalysator

• Additionen zum Katalysator erforderlich, um Vergiftung der Zelle durch CO zu verhindern

• Wesentlich geringere Leistungsdichte als PEMFC

Anwendungsgebiet: Mobile Stromversorgung

Vorteile:

• Brennstoffflexibel

• Keine Edelmetallkatalysatoren

• Hochwertige Abwärme (800 - 1000 °C) für KWK

• Fester Elektrolyt (Sicherheitsaspekte)

• Hohe Leistungsdichte

Nachteile:

• Schlechte Ionenleitfähigkeit des Elektrolyts

• Temperaturverträglichkeit der Materialien

• Teure Materialien

• Wird in stationärer Strom und Wärme Versorgung verwendet

Vorteile:

• Brennstoffflexibel

• Keine Edelmetallkatalysatoren

• hochwertige Abwärme (~650 °C) für KWK

Nachteile:

• Geschlossener CO2 Kreislauf notwendig

• Korrosives geschmolzenes Elektrolyt

• Relativ teure Materialien

• Stationäre Strom und Wärme Versorgung

Vorteile:

• Erprobte Technologie

• Sehr zuverlässig/ Lange Laufzeiten

• Vergleichweise günstiger Elektrolyt

Nachteile:

• Platin als Katalysator nötig

• Geringe Toleranz gegenüber CO und S (jedoch deutlich höher als PEMFC)

• Elektrolyt ist korrosiv und muss während des Betriebs aufgefüllt werden

• Stationäre Strom und Wärme Versorgung

Vorteile:

• Geringe Kathodenverluste

• keine Edelmetallkatalysatoren

• Geringe Materialkosten

Nachteile:

• Betrieb nur mit reinem H2-O2

• Kaliumhydroxid Elektrolyt muss aufgefüllt werden

• Wasser muss abgeführt werden

kann als BZ und Elektrolyseur verwendet werden

Vorteile:

• Weiter Betriebsbereich

• Tolerant gegenüber Strom- und Spannungsschwankungen

• Geringe Komplexität, da nur eine elektrochemische Zelle nötig

Nachteile:

• Vergleichweise geinger Wirkungsgrad (40-50 %)

  
  

  Geeignet zur Speicherung überschüssiger Energie und Abdecken von Lastspitzen

Vorteile:

• Sehr hohe Betriebstemperaturen (500-850 %)

• Sehr hoher Wirkungsgrad von 90 %

Nachteile:

• Lange Aufheizzeiten

• Wenig tolerant gegenüber Lastfluktuationen

• Schichtstruktur aus Kobalt, Sauerstoff und Lithium-Ionen

Lithium- Ionen sind zwischen den Graphitschichten eingelagert

• Kupfer als Stromableitermaterial

• Zwischen Anode und Kathode mit Elektrolyt gefüllt

• Separator zwischen den Elektroden, um Kurzschlüsse zu vermeiden

• Spezifische Ladung

• Lade/ Entladekurve

schnell ablaufende Verbrennungsreaktion mit Anstieg der Temperatur und oder des Drucks

Wenn Staub aus brennbaren Materialien besteht, zb aus :

• Kohle

• Mehl

• Holz

• Metallpulver

1. Brandentwicklung 1: wachsender Brand

2. Brandentwicklung 2: Rausentwicklung und Brandwachstum

3. Kurz vor dem Flashover: Erste Randzündungen

4. Flashover

5. Vollbrand

• Niedrigste Temperatur bei der sich zündfähiges Dampf-Luft Gemisch bilden kann

• Erzeugen eine hellblaue Flamme

• Verbrennung kommt üblicherweise zum Erliegen, nachströmende Stoffmenge reicht zur Aufrechterhaltung nicht aus

• Ab Erreichen dieser Temperatur kommt die Verbrennung des Dampf-Luft Gemisches nicht mehr zum Erliegen

• Nachströmende Stoffmenge reicht zum Erhalt aus

Brennpunkt >= Flammpunkt

(Es handelt sich um Temperaturen)

Zeit, nach der sich die Ausgangskonzentration halbiert hat

96485 C/mol

für Ka<1, lf<eta

Vorteile:

• Geringe Emissionen

• Geringer Platzbedarf

Nachteile:

• Stabilität

• Sicherheit (Explosionsgefahr)

Epsilon: m²/s³

k: m²/s²

D: m²/s

v: m²/s

eta: m

vorgemischte Verbrennung:

• Otto-Motor

• stationäre Gasturbine

nicht-vorgemischte Verbrennung:

• Diesel Motor

• Flugtriebwerk

• Brennkammer

• Bunsenbrenner

• thermische Flammentheorie

Produktionsterme = 0

1. unendlich dünne Reaktionszone/ unendlich schnelle Chemie

2. nur die beiden Zustände verbrannt und unverbrannt

T-Tu/(Tv-Tu)

Vorteil:

• weniger Gleichungen, da Flamelet nicht gelöst werden müssen

Nachteil:

• keine detaillierte Chemie

Sc= v/D