Towards CO2 neutral energy conversion using advanced laser diagnostics and modelling

The objective of the proposal is to face one of the most critical challenges for our society, the development of a sustainable and safe energy supply toward zero net CO2 emissions. Combustion can play an important role in a future energy system using new non-fossil sources, e.g., ammonia, metals, and biomass-based fuels. However, these fuels constitute considerable challenges, e.g., in terms of combustion efficiency, combustion stability and emission of harmful pollutants. The project aims to gain deepened understanding of processes related to the possibilities forsustainable CO2-free combustion. This is achieved by experimental studies using state-of-the-art laser-diagnostic tools closely integrated with detailed modelling regarding chemical kinetics and computational fluid dynamics.

The research includes the development of unique tools, i.e., advanced laser diagnostics and computational modelling, which in turn are used to address the critical aspects of the combustion with the new fuels. Specific scientific challenges include understanding the combustion chemistry, e.g., the creation of NOx using ammonia and metal fuels and alkali compounds in biomass combustion. Further research questions are on mechanisms of turbulence and chemical reaction interaction at high turbulence intensities and the combustion behavior using completely new tailor-made fuels such as metal particles.

The project addresses two combustion conditions of particular interest using the new fuels. First, combustion at elevated pressure, which will be studied using unique equipment, is of great importance since most combustion in industrial applications takes place at high pressure. Still, investigations on fundamental aspects of high-pressure combustion are scarce, mainly because of the experimental challenges. Secondly, plasma-assisted combustion is seen as an important way of controlling and stimulating combustion by external means, e.g., for stabilizing turbulent flames at low equivalence ratios to suppress NOx formation.

Målet med projektet är att möta en av de mest kritiska utmaningarna för vårt samhälle, utvecklingen av en hållbar och säker energiförsörjning med noll nettoutsläpp av CO2. Förbränning kan spela en viktig roll i ett framtida energisystem som använder nya icke-fossila källor, t.ex. ammoniak, metaller och biomassa-baserade bränslen. Dessa bränslen medför dock avsevärda utmaningar, t.ex. vad gäller förbränningseffektivitet, förbränningsstabilitet och utsläpp av skadliga föroreningar. Projektet syftar till att få en fördjupad förståelse för processer relaterade till möjligheterna för hållbar CO2-fri förbränning. Detta uppnås genom experimentella studier med hjälp av avancerade laserdiagnostiska verktyg nära integrerade med detaljerad modellering av kemisk kinetik och flödesdynamik.

Forskningen omfattar utveckling av unika verktyg, laserdiagnostik och beräkningsmodellering, som i sin tur används för att ta itu med de kritiska aspekterna av förbränningen med de nya bränslena. Specifika vetenskapliga utmaningar inkluderar förståelse av förbränningskemin, t.ex. skapandet av kväveoxider(NOx) med ammoniak och metallbränslen och bildning av alkaliföreningar vid förbränning av biomassa. Ytterligare frågor berör mekanismer för interaktion mellan turbulens och kemisk reaktioner vid höga turbulensintensiteter och förbränningsegenskaper med helt nya skräddarsydda bränslen som metallpartiklar.

Projektet tar upp två förbränningsförhållanden av särskilt intresse med de nya bränslena. För det första är förbränning vid förhöjt tryck, som studeras med unik utrustning, av stor betydelse eftersom det mesta av förbränning i industriella applikationer sker vid höga tryck. Ändå är undersökningar av grundläggande aspekter av högtrycksförbränning begränsade, främst på grund av de experimentella utmaningarna. För det andra ses plasmaassisterad förbränning som ett viktigt sätt att kontrollera och stimulera förbränning med externa medel, t.ex. för att stabilisera turbulenta flammor vid låga ekvivalensförhållanden för att undertrycka NOx-bildning.

Med tillgängliga och utvecklade metoder har projektet stor potential att bidra till att utveckla teknologier mot CO2-neutral energiomvandling.