Forschung im Bereich Brenn- und Kraftstoffe

Die Oel-Waerme-Institut GmbH beschäftigt sich mit den Eigenschaften flüssiger Kohlenwasserstoffe, wie Heizöl EL oder Diesel, sowie deren Anwendung in technischen Systemen. Die zahlreichen Forschungsvorhaben zielen prinzipiell auf folgende Fragestellung ab:
„Wie werden die zukünftigen Brenn- und Kraftstoffe sowie die Verbrennungstechnologien von Morgen definiert?”
Im Bereich Brenn- und Kraftstoffe liegen die Schwerpunkte bei der Untersuchung sowohl der physikalisch-chemischen Eigenschaften insbesondere neuer, regenerativer Brenn- und Kraftstoffe als auch bei deren Auswirkungen auf technische Systeme. Eine Übersicht über die Arbeiten und Kompetenzen ist in der Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Untersuchungsschwerpunkte und Kompetenzen im Bereich Brenn- und Kraftstoffe

Anwendung: Brenner und Ölfeuerungsanlage
Nach der erfolgreichen Einführung des schwefelarmen Heizöles mit einem maximalen Schwefelgehalt von 50 ppm erfolgt die Weiterentwicklung flüssiger Brennstoffe im Wärmemarkt in Bezug auf die Ergänzung bzw. Substitution durch alternative Brennstoffe. Auf europäischer Ebene existiert bereits die Norm EN 14213, die die Anforderungen an so genannte Biodiesel als Brennstoff und als Mischkomponente für Heizöl EL festlegt. Auf nationaler Ebene ist seit April 2008 die Vornorm DIN V 51603–Teil 6 mit dem Titel „Heizöl EL Alternativ“ eingeführt. In dieser Vornorm gilt ein Brennstoff als alternativ, wenn mindestens ein Anteil an alternativen Brennstoffen oder Biokomponenten von 3 % (V/V), maximal jedoch 20 % (V/V), vorliegt. In der Norm wird allgemein zwischen alternativen Brennstoffen und Biobrennstoffen unterschieden. Als alternative Brennstoffe werden extra leichtflüchtige Komponenten bezeichnet, die nicht aus Mineralöl hergestellt sind. Biokomponenten sind flüssige Brennstoffkomponenten, die aus Stoffen gewonnen werden, die nach §2 der Biomassenverordnung sinngemäß als anerkannte Biomasse gelten oder nur aus Stoffen gewonnen werden, die nach §2 der Bioabfallverordnung sinngemäß als Bioabfall gelten. Folglich existiert eine große Varianz an alternativen flüssigen Brennstoffen. Diese schließt neben den regenerativen Brennstoffen der 1.Generation, wie Pflanzenöl und Fettsäuremethylester (FAME), die regenerativen Brennstoffe der 2. Generation (Biomass-to-Liquid / BtL, Gas-to-Liquid / GtL) ein, aber auch Glycerin, Pyrolyseöle und Grenzbrennstoffe, die noch nicht im Normungswerk aufgenommen wurden.

Die Brennstoffe werden auf unterschiedliche Weise auf Ihre Eignung in Ölfeuerungsanlagen untersucht. Dies erfolgt anhand der:

Betreuung von Feldanlagen, die bis zu Beimischungen von 20% FAME betrieben werden.
Untersuchung zur Betriebssicherheit von Ölbrennerpumpen.
Ablagerungsbildung und Emissionen (NOx, CO, etc., Ruß, Feinstaub) in Ölbrennersystemen.
Anwendungstechnische Eigenschaften von FAME.

Die Prüfapparatur zur Untersuchung anwendungstechnischer Eigenschaften von FAME (kurz: ATES FAME) hat sich zur Differenzierung von Brennstoffen als reproduzierbar und aussagekräftig erwiesen. Die Anlage besteht aus vier Hardware-in-the-Loop-Prüfapparaturen, die in Abbildung 2 gezeigt sind. Der zu prüfende Brennstoff wird aus einem Vorratsbehälter mit der Ölbrennerpumpe über eine 10m Kupferspule und einen Vorfilter im Zweistrang-System angesaugt. Von der Ölbrennerpumpe aus gelangt das Heizöl über einen temperaturgeregelten Ölvorwärmer und Öldüse in einen Glaszylinder (Lufteintrag). Danach fließt der Brennstoff in den Vorratsbehälter zurück. In der Verbindung zwischen Ablauf und Vorratsbehälter ist eine Seppeler-Einrichtung zur Messung des Brennstoffvolumenstroms installiert. Alle Bauteile sind Standardkomponenten aus der Heizungstechnik, so dass die Auswirkungen sowohl unterschiedliche Brennstoffe als auch der Additivierung auf die Betriebssicherheit in einer Ölfeuerungsanlage in kurzer Zeit herausgestellt werden können.

Abbildung 2: ATES FAME Prüfapparatur und Düsenverlegungen nach Ende der Versuchslaufzeit

Anwendung: Kraftstoffe in Aggregaten vom Tank bis Motor
Bei den Kraftstoffen Diesel und Benzin wird ab dem vierten Quartal 2008 die Auswirkungen biogener Beimischungen, wie Biodiesel und Ethanol, auf die Aggregate vom Tank bis zum Motor untersucht. Schwerpunkte sind die Auswirkungen, wie Ablagerungsbildung, Wechselwirkungen mit Materialien, Kraftstoffalterung und Emissionen, in der Vordruckpumpe, im Tanksystem und auf alle Komponenten der Standheizungs- und Zuheizertechnik.
Eine Kühlkammer/-truhe mit einem Volumen von 600 Litern kann allgemein für Tieftemperaturuntersuchungen von bis zu -30°C genutzt werden.

Physikalisch-chemische Eigenschaften
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von flüssigen Brenn- und Kraftstoffen werden einerseits in idealisierten Systemen bzw. Einzelkomponentenanalysen und andererseits über Brennstoffanalytik bestimmt.
Bei der Brennstoffanalytik arbeitet das Oel-Waerme-Institut mit akkreditierten Labo-ren zusammen; für Sonderanalytik wird auf die Infrastruktur anderer Hochschulinsti-tute der RWTH und anderen Hochschulen zurückgegriffen.
Die zurzeit betrachteten physikalisch-chemischen Eigenschaften flüssiger Brenn- und Kraftstoffe sind nach Abbildung 1:

Lagerstabilität: Auslagerung von Brenn- und Kraftstoffen bei Temperaturen von 8°C bis 40°C (bis 100°C möglich) in speziellen Klimaschränken
Oxidations- und thermische Stabilität: Änderung der Stabilitätseigenschaften durch Beimischung regenerativer Brennstoffe sowie Entwicklung neuer Analysemethoden
Materialverträglichkeit: Wechselwirkungen zwischen Brenn- und Kraftstoffen mit Polymeren und Elastomeren (Dichtungen, etc.)
Ablagerungsbildung: Bestimmung der Ablagerungsbildung bei der idealisierten Tropfenverdampfung, in Brennersystemen, in Pumpen
Wirkung von Additiven: Tribologische Prüfapparatur, Momentenprüfstand, Ölbrennerpumpen, Verbrennungseigenschaften, Alterung und Stabilität

Abbildung 3: 10% Pflanzenöl-Heizöl EL mit Kupfer nach 6 Monaten bei 40°C

Bei der Verwendung von Brennstoffen in (teil-)vormischenden Brennersystemen kön-nen Autoxidationsreaktionen der Brennstoffe auftreten, die Ablagerungen und eine Beeinträchtigung der Verbrennung hervorrufen. Diese Ablagerungen können mit Hilfe einer idealisierten Prüfapparatur quantifiziert und die Ergebnisse auf den Brennerbetrieb übertragen werden. Die Abhängigkeit der Ablagerungsbildung von der Temperatur, dem Luftverhältnis, der Leistung, der Brennstoffdichte, dem Schwefelgehalt, den Oberflächenmaterialien (Aluminium, Edelstahl), den Oberflächeneigenschaften (Porosität) und der eingesetzten Brennstoffe (z.B. FAME-HEL-Blends) können ermittelt werden.
Einen weiteren Schwerpunkt stellen Brennstoffadditive dar. Für deren Eignungsprüfung stehen die erwähnten Brennerprüfstände und Apparaturen zur Verfügung.
Damit können Additive hinsichtlich ihrer Eignung gegenüber Rußbildung im Brennraum und Ablagerungsbildung in Brennerbauteilen (Düsen, Ölvorwärmer, Pumpen, usw.) sowie in Bezug auf die Stabilität bei thermischer und mechanischer Beanspruchung überprüfen werden. Zudem können die Auswirkungen dieser Zusatzstoffe auf einzelne Brennerkomponenten, wie Ölbrennerpumpen, bestimmt werden. Hierzu steht ein spezieller Momentenprüfstand zur Verfügung, in dem die Wirkung von z.B. Lubricity-Additiven quantifiziert werden kann. Wichtige Kenngröße in diesem Zusammenhang ist das so genannte Losbrechmoment von Ölbrennerpumpen. Die Bestimmung von Langzeiteffekten aus Additiven kann auf speziellen Pumpenprüfständen nachgewiesen werden. Spezielle Eigenschaften und Parameter wie Schmierfähigkeit (Reibungsverhalten), Alterungsverhalten und Belagbildung von Brennstoffen können in der neu entwickelten Prüfapparatur für Ölbrennerpumpen nach Abbildung 4 beurteilt werden.

Abbildung 4: Prüfapparatur für Belastungszustände und Ölalterung in einer Ölbrennerpumpe

Tiefentschwefelung flüssiger Kohlenwasserstoffe für Brennstoffzellensysteme
Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt liegt im Bereich der Brennstoffeigenschaften in der flüssigen Tiefentschwefelung von schwefelarmen Heizölen und Dieselkraftstoffen, welches als In-situ Verfahren in modernen Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden soll. Dabei wird unter Verwendung eines adsorptiven Verfahrens ohne Zufuhr von Wasserstoff eine Entschwefelung auf unter ξs< 200 ppb erzielt. Durch gaschro-matographische Untersuchungen können die Selektivität und die Aktivität von Adsor-bienten in Bezug auf einzelne Schwefelverbindungen entsprechend der Abbildung 5 aufgezeigt werden. Die Bestimmung der optimalen Betriebsbedingungen sowie der Kapazität erlaubt eine Auslegung der Entschwefelungseinheit für jedes Brennstoffzellensystem. Das adsorptive Verfahren kann ohne Einschränkung allen üblichen Reformierungsverfahren vorgeschaltet werden, wobei es sich insbesondere durch eine einfache Prozessführung auszeichnet.

Abbildung 5: (a) GC-MS Chromatogramme eines schwefelarmen Heizöles mit ξs= 50 ppm (oben) und nach der Entschwefelung auf unter ξs< 0,5 ppm (unten). (b) Optimierung der Betriebsbedingungen der adsorptiven Entschwefelung von schwefelarmen Heizöl EL (http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2008.03.020).