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Ertüchtigung von Gasmotoren in Kraft-Wärme-Kopplungs- Neu- und Bestandsanlagen für den angestrebten schrittweisen 'Fuel-Switch' von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen, Teilvorhaben: Entwicklung und Untersuchung einer kraftstoffvariablen Einblas- und Zündeinheit für Gasmotoren

Mit der angestrebten schrittweisen Kraftstofftransformation ('Fuel-Switch') von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen wie z.B. grünem Wasserstoff werden in Zukunft unterschiedliche Gasgemische im Gasnetz vorliegen. Im Rahmen des Projekts 'HydroFit' sollen Gasmotoren in KWK-Anlagen für diesen 'Fuel-Switch' ertüchtigt werden. Dabei werden neben zukünftigen Motoren, auch insbesondere Bestandsanlagen adressiert, die durch HydroFit leistungstechnisch optimiert werden. Um die Motoren in Zukunft nachhaltig, effizient und emissionsarm betreiben zu können, bedarf es geeigneter Anpassungen in Hard- und Software. Hierfür wird ein adaptives System entwickelt, das es ermöglicht, Gasmotoren unabhängig von der aktuellen Kraftstoffzusammensetzung im Versorgungsnetz zu betreiben. Das System kann dabei auf zeitlich sich ändernde Gaszusammensetzung reagieren, ohne dass Umbauten am Motor durchgeführt werden müssen. Dies ist insbesondere für die Übergangsphase der schrittweisen Einführung von der Wasserstoffbeimengung bis zur reinen Wasserstoffbereitstellung von Bedeutung. Zusätzlich wird HydroFit konstruktiv so gestaltet, dass bereits im Betrieb befindende Anlagen wirtschaftlich ohne Änderungen am Grundmotor nachgerüstet werden können. Um die Funktionalität des Konzepts sicherzustellen, soll nach der Entwicklung eines Prototypsystems, dieses zunächst im Labor getestet werden. In einer weiteren Ausbaustufe erfolgt die Erprobung an einem Versuchsmotor im Feld. Mit dem vollständigen Umstieg auf Wasserstoff und andere klimaneutrale Kraftstoffe können Gasmotoren-BHKW nicht nur als Brückentechnologie in der Energiewende dienen, sondern auch langfristig für die Dekarbonisierung der Wärme- und Stromerzeugung sorgen. Mit dem in diesem Vorhaben geplanten adaptiven System bleiben sie dabei sehr flexibel und können im Gegensatz zu alternativen Technologien (wie z.B. der Brennstoffzelle) unabhängig von der Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere der Reinheit des Wasserstoffs, betrieben werden.

Verbrennungstechnische Untersuchung an einem PKW-Vorkammer-Dieselmotor

Der sich durch eine zweistufige Verbrennung auszeichnende schnelllaufende Vorkammer-Dieselmotor, wegen seiner vergleichsweise verfahrenstypischen Laufruhe sehr gut fuer den Einsatz im PKW geeignet, zeigt vor allem im Teillastgebiet eine hohe Russemission, die den Vorteil der relativ niedrigen Stickoxid- und Kohlenwasserstoff-Emission entgegensteht. Durch eine Aenderung der Vorkammergeometrie konnte aufgrund verbesserter Stroemungs- und Gemischbildungsverhaeltnisse in einem weiten Last- und Drehzahlbereich die Russemission bis zu ca.50 v.H. ohne Verbrauchseinbusse vermindert werden. Leider wird jedoch dieser Erfolg mit einer ca. 20-prozentigen Erhoehung der Stickoxidemission erkauft. Dieser Nachteil konnte durch eine zweckentsprechend dosierte Abgasrueckfuehrung eliminiert werden, ohne dass dadurch die Verminderung der Russemission nennenswert beeintraechtigt wurde. Bei einer weitergehenden Verminderung der Stickoxidemission stieg die Russemission nicht unbetraechtlich an, sie blieb allerdings noch deutlich (z.B. 25 v.H.) unter der des Serienmotors. Die mittels einer Geruchsmessstation durchgefuehrten Untersuchungen ergaben fuer die veraenderte Vorkammer im Vergleich zur serienmaessigen Version sogar eine etwas geringere Geruchsintensitaet, obwohl diese beim serienmaessigen Motor im Vergleich zum direkteinspritzenden Dieselmotor schon sehr niedrig ist. Mit der modifizierten Vorkammer konnte auch die an der Russgrenze erreichbare Leistung um ca. 5 v.H. angehoben werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1708: Materialsynthese nahe Raumtemperatur; Priority program (SPP) 1708: Material Synthesis near Room Temperature, Elektrochemische Synthese von III-V (GaN, InN, GaSb, InSb, AlSb) und Metallsulfid (ZnS, GaS) Verbindungshalbleitern und deren Nanostrukturen aus ionischen Flüssigkeiten

Das Projekt beabsichtigt die Entwicklung von III-V-Verbindungshalbleitern (GaN, InN, GaSb, InSb und AlSb) und Metallsulfid-Verbindungshalbleitern (ZnS- und GaS) Dünnfilmen und Nanostrukturen (Nanoröhrchen, Nanodrähte und makroporöse Strukturen) bei elektrochemischer Abscheidung/stromloser Abscheidung in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten nahe Raumtemperatur. Der Hauptfokus wird auf das Verständnis des Reaktionsmechanismus der Bildung der Verbindungshalbleiter gesetzt. Die Reaktionsmechanismen werden anhand von IL-Salz-Mischungen, Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche und der hergestellten Strukturen und Schichten analysiert. Der Einfluss der IL-Zusammensetzung auf die Morphologie und die optischen Eigenschaften der erhaltenen Halbleiter wird untersucht. Zusätzlich werden die Halbleiternanostrukturen Templat-basiert und Templat-frei elektrochemisch hergestellt, was eine neue Methode zur Synthese von Halbleiternanostrukturen nahe Raumtemperatur eröffnet.

Makro-Skala-Modellierungskonzepte für das Wachstum und den advektiven Transport von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien

Poröse Medien bieten exzellente Lebensbedingungen für Bakterien, da ihr Lebensraum geschützt ist aber trotzdem eine kontinuierliche Nahrungezufuhr möglich ist. Folglich existieren Mikroorgansimen in vielen natürlichen und technischen porösen Medien und haben dort einen großen Einfluss. Wenn diese für technische oder industrielle Anwendungen genutzt werden, ist es sehr wichtig die Wechselwirkungen zwischen Strömung, Transport und mikrobiologischen Prozessen zu verstehen. In der Literatur ist eine Vielzahl von Modellierungsmethoden vorhanden, jedoch sind diese in der Regel unter einphasigen Strömungsbedingungen entwickelt worden. Es ist schwierig mikrobiologische Prozesse in den natürlichen und komplexen Porenstrukturen von Gesteinen (wie z.B. Anhaften/Ablösen und Bildung von Biofilmen) zu beobachten und demzufolge sind diese Prozesse unzureichend erforscht. In diesem Projekt werden künstliche Strukturen geschaffen, die den Porenstrukturen des Gesteins nachempfunden sind und dafür benutzt, das Verhalten von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien zu untersuchen. Diese transparenten sozusagen zweidimensionalen Mikromodelle erlauben eine direkte Beobachtung der mikrobiologischen Prozesse, wie z.B. Wachstum, Transport und Anhaftung/Ablösung von Bakterien, durch mikroskopische Auswertungen. Die Bakterien, die für die experimentellen Untersuchungen eingesetzt werden, gehören zu der Klasse der methanogenen Archaeen. Die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse durch Bilddatenverarbeitung erlaubt es, zeitlich und räumlich aufgelöste Datensätze für die Anzahl, Struktur und Bewegung der Bakterien zu erzeugen. Aus diesen Datensätzen wird ein verbessertes mathematisches Modell entwickelt, welches das Wachstum und die Bewegung von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien beschreibt. Das Modell soll das bakterielle Wachstum unter nicht-nährstofflimitierten Bedingungen, das Vorhandensein von verschiedenen bakteriellen Strukturen (Plankton und Biofilm), die individuellen Bewegungseigenschaften und die Anhaftungs- und Ablösevorgänge berücksichtigen. Um das neu entwickelte Modell zu testen und zu parametrisieren, wird es auf Basis eines diagonal-impliziten Runge-Kutta-Verfahrens, welches für die stark nicht-linearen Quellterme gut geeignet ist, numerisch umgesetzt. Die Anwendung des theoretischen Modells bezieht sich auf die Technologie der Untergrundmethanisierung, in welcher das injizierte Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch mikrobiologische Reaktionen in Methan umgewandelt wird.

Methanabbau in industrieller Abluft durch innovative Kombination von Gaswäschern mit photokatalytischen Reaktoren, MeGaPho - Methanabbau in industrieller Abluft durch innovative Kombination von Gaswäschern mit photokatalytischen Reaktoren

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur instationären aerodynamischen Belastung von Schiffen und Offshore-Strukturen, Vorhaben: Entwicklung von simulations- und modellbasierten Methoden zur Bewertung der instationären, aerodynamischen Strömung von Yachten im Entwurfsprozess

Hybrid 2D Nanomaterial-based Membranes

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt A06: Bestimmung exzesssorptiver Kinetiken, Gleichgewichtsbeladungen und Adsorptionswärmen der Oxyfuel-Gaskomponenten an den eingesetzten Festbrennstoffen

Ziel dieses TP ist, den in anderen TP gekoppelt auftretenden und teilweise geschwindigkeitsbestimmenden Vorgang der Sorption, der z. B. beim Verbrennungsvorgang nicht spezifisch aufgelöst werden kann, selektiv und vollständig zu erfassen. Dazu werden sowohl für die verwendeten Feedgase als auch die entstehenden Pyrolysegaskomponenten die jeweiligen Soprtionskinetiken, Gleichgewichtsbeladungen und Adsorptionswärmen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur bestimmt. Mittels IAST-Gemischsorptionsmodellen kann zusätzlich die selektive Sorption von Gasgemischen am Brennstoffkorn im Oxyfuel-Prozess vorhergesagt werden.

Ertüchtigung von Gasmotoren in Kraft-Wärme-Kopplungs- Neu- und Bestandsanlagen für den angestrebten schrittweisen 'Fuel-Switch' von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen, Teilvorhaben: Zündsystem und integrierte Zünd-/Einblaseinheit

Mit der angestrebten schrittweisen Kraftstofftransformation ('Fuel-Switch') von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen wie z.B. grünem Wasserstoff werden in Zukunft unterschiedliche Gasgemische im Gasnetz vorliegen. Im Rahmen des Projekts 'HydroFit' sollen Gasmotoren in KWK-Anlagen für diesen 'Fuel-Switch' ertüchtigt werden. Dabei werden neben zukünftigen Motoren, auch insbesondere Bestandsanlagen adressiert, die durch HydroFit leistungstechnisch optimiert werden. Um die Motoren in Zukunft nachhaltig, effizient und emissionsarm betreiben zu können, bedarf es geeigneter Anpassungen in Hard- und Software. Hierfür wird ein adaptives System entwickelt, das es ermöglicht, Gasmotoren unabhängig von der aktuellen Kraftstoffzusammensetzung im Versorgungsnetz zu betreiben. Das System kann dabei auf zeitlich sich ändernde Gaszusammensetzung reagieren, ohne dass Umbauten am Motor durchgeführt werden müssen. Dies ist insbesondere für die Übergangsphase der schrittweisen Einführung von der Wasserstoffbeimengung bis zur reinen Wasserstoffbereitstellung von Bedeutung. Zusätzlich wird HydroFit konstruktiv so gestaltet, dass bereits im Betrieb befindende Anlagen wirtschaftlich ohne Änderungen am Grundmotor nachgerüstet werden können. Um die Funktionalität des Konzepts sicherzustellen, soll nach der Entwicklung eines Prototypsystems, dieses zunächst im Labor getestet werden. In einer weiteren Ausbaustufe erfolgt die Erprobung an einem Versuchsmotor im Feld. Mit dem vollständigen Umstieg auf Wasserstoff und andere klimaneutrale Kraftstoffe können Gasmotoren-BHKW nicht nur als Brückentechnologie in der Energiewende dienen, sondern auch langfristig für die Dekarbonisierung der Wärme- und Stromerzeugung sorgen. Mit dem in diesem Vorhaben geplanten adaptiven System bleiben sie dabei sehr flexibel und können im Gegensatz zu alternativen Technologien (wie z.B. der Brennstoffzelle) unabhängig von der Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere der Reinheit des Wasserstoffs, betrieben werden.

Entwicklung einer innovativen Gassensensorik zur Erfassung des Wasserstoffgehaltes in Erdgas und zur Bestimmung der Gasqualität

Das Projekt zielt darauf ab, einen innovativen Gassensensor zur Messung verschiedener Gasqualitätsparameter in Wasserstoff/Erdgas-Gemischen zu entwickeln und praktisch im Gasnetz zu testen. Dazu sind mehrere Prototypen erforderlich die dem späteren Serienprodukt, hinsichtlich der Messeigenschaften möglichst nahekommen. In einer Übergangsphase bis ca. 2040 wird nicht ausreichend H2 für eine komplette H2-Umstellung der Gasversorgung zur Verfügung stehen. Neben reinen, lokalen H2-Netzen werden H2/Erdgas-Gemische hergestellt werden. Der Wasserstoff soll dem Erdgas zugemischt werden und kann somit auf die vorhandenen Gas-Infrastruktur zurückgreifen. Derzeitig werden Konzentrationen von bis zu 20 Vol.-% H2 im Erdgas diskutiert, die in den nächsten Jahren im Netz erreicht werden sollen. Das ist messtechnisch zu kontrollieren. Der Projektpartner Wi.Tec Sensorik GmbH entwickelt eine entsprechende Sensortechnik, die auf Basis der H2-Konzentrationsmessung weitere notwendige Gas-Beschaffenheitsparameter ermittelt (Brennwert, Dichte etc.). Die Aufgabe des DBI besteht in der Prüfung des Gerätes im Labor, der Validierung der Messergebnisse und der Berechnungen sowie der Durchführung von Gerätetests im realen Feld, d.h. im Gasnetz und bei weiteren potenziellen Abnehmern, den Gaskunden. Der Vergleich erfolgt mittels bei Antragsteller vorhandener aufwändiger Messtechnik (Gaschromatographen), das Prüflabor ist für Messungen von Gasgemischen akkreditiert.

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