Schadstoffausstoß bei der Luftfahrt und deren mögliche Senkung
Luft und Raumfahrt hat in der Geschichte der Menschheit immer eine Hochtechnologie dargestellt. Dadurch werden nicht nur die Entfernungen kleiner, sondern es werden auch soziale, wirtschaftliche, kulturelle Änderungen stattfinden und sich auch andere Industriezweige entwickeln und nicht zuletzt generiert sie einen großen BIP Zuwachs.
Luftfahrt generiert mehr als 600 Billion Dollar pro Jahr für BIP, der äquivalent mit dem Bruttoinlandsprodukt der Schweiz ist. Laut der Prognosen wird Luftfahrt mit ein Trillion Dollar zu dem Bruttoinlandsprodukt der Welt beitragen. Sie erzeugt direkt 1,7 Million und fördert 2 Million indirekt Stelle.
Aber in der Luftfahrt sind große Probleme, die gelöst werden sollen. 2,5% des Co2 Ausstoßes auf der Welt stammt aus der Luftfahrt, die die globale Erwärmung beschleunigen und der hohe Lärm – und die Schadstoffemissionen (NOx, CO, Partikel
) bei Bodennähe bedeuten auch große Problemen. Die Hilfsgasturbinen (englisch: auxiliary power unit, APU) werden vorwiegend am Flughäfen benutzt, sie weisen einen niedrigen Wirkungsgrad und tragen zudem erheblich zur gesamten Abgas- und Lärmausstoß an Flughäfen bei. Deswegen werden manchmal Regulierungen durch den Flughafen durchgeführt.
Der Ursprung dieser Probleme ist in der Brennkammer zurückzuführen, deshalb auch die Lösung auf diesem Gebiet zu suchen. Es gibt viele Möglichkeiten den Schadstoffausstoß in Gasturbine zu reduzieren, aber die effektivste Methode ist die Nachforschung der Verbrennungskammer, wo die Prozess der Verbrennung und die Schadstoffformation stattfinden. Der Entwicklungsprozess für eine neue Brennkammer ist eine sehr komplizierte Prozedur. Der fängt mit einem CFD Simulation (numerische Strömungssimulation) zur Geometrieauslegung an und danach kommt die Herstellung des Prototyps für die experimentelle Charakterisierung. Der nächste Schritt ist die Ableitung einer Brennkammer für die Gasturbine und endlich finden die Integration und Erprobung in der Gasturbine statt. CFD hilft umfangsreiche Parameterstudien durchzuführen und somit die Brennervorauslegung zu beschleunigen. Die Numerische Strömungssimulation ermöglicht auch den Einblick in die strömungsmechanischen Vorgängen, was ansonsten nur mit aufwändiger Messtechnik möglich ist. Leider ist eine numerische Strömungssimulation in einer Verbrennungskammer nicht so einfach, man muss nicht nur um den partielle Differentialgleichungen der Strömung kümmern, sondern auch um den chemischen Reaktionen und ihre Auswirkungen.
Dieses Projekt ist ein Teil eines größeren DLR-Projekts. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer neuen, schadstoffarmen Brennkammer für eine Hilfsgasturbine, die auf einem neuartigen Verbrennungsverfahren für Gasturbinen basiert. Mein Anteil besteht aus der CFD-Simulation zur Definition der Strömungsrandbedingungen der Brennkammer, aus der Vergleichung verschiedener Spray- und Reaktionsmodelle und aus der CFD-Simulation der Original-Brennkammer als Vergleichsdatensatz für das neue Brennkammersystem. Es hat eine besondere Schwierigkeit: die Verbrennung von Flüssigbrennstoff, da hier zusätzlich die Verdampfung des Sprays modelliert werden muss.