An experimental and numerical investigation of CO2 diluted, oxy-fuel combustion in a reciprocating engine using mixtures of natural gas and hydrogen

Promovendus/a: Mauro Daese

Promotor(en): Prof. dr. Joshua Lacey, Prof. Francesco Contino

Het decarboniseren van verbrandingsmotoren (ICE’s) blijft een belangrijke uitdaging binnen de wereldwijde inspanningen om de uitstoot van broeikasgassen te beperken. Ondanks de snelle groei van hernieuwbare energietechnologieën voorzien verbrandingsmotoren nog steeds ongeveer 25% van de wereldwijde energievraag en blijven ze een aanzienlijke bron van emissies. Daarom worden ICE’s binnen de energietransitie steeds vaker heroverwogen als flexibele systemen die kunnen functioneren op duurzame brandstoffen.

Binnen dit kader vormen synthetische e-fuels zoals waterstof en methaan een haalbare route naar koolstofneutrale werking. Deze brandstoffen worden geproduceerd met behulp van hernieuwbare elektriciteit en afgevangen CO₂, waardoor een gesloten koolstofcyclus mogelijk wordt, terwijl compatibiliteit met bestaande infrastructuur behouden blijft. Dit positioneert ICE-gebaseerde systemen als aantrekkelijke oplossingen voor toepassingen die snel regelbare en schaalbare energieproductie vereisen, met name voor het balanceren van onregelmatig hernieuwbare energiebronnen.

Een belangrijke technologische benadering die deze transitie ondersteunt, is CO₂-verdunde oxy-fuelverbranding. In tegenstelling tot conventionele verbranding met lucht wordt stikstof uit het oxidatiemiddel verwijderd en vervangen door een mengsel van zuurstof en koolstofdioxide. Deze configuratie onderdrukt intrinsiek de vorming van NOₓ en genereert tegelijkertijd een uitlaatstroom met verhoogde CO₂-concentraties, wat de efficiëntie van koolstofafvangprocessen verbetert. Bovendien kan zuurstof worden geleverd als bijproduct van waterelektrolyse, terwijl CO₂ binnen het systeem kan worden gerecirculeerd, wat de circulariteit van het proces versterkt. De introductie van CO₂ verandert echter fundamenteel de vlamkarakteristieken door de hoge soortelijke warmtecapaciteit en verdunnende eigenschappen, wat invloed heeft op de vlamvoortplanting en thermisch gedrag. Deze effecten brengen uitdagingen met zich mee op het vlak van verbrandingsefficiëntie, stabiliteit en energieomzetting, die onder realistische motorcondities nog onvoldoende begrepen zijn.

Bijgevolg vormt de integratie van CO₂-verdunde oxyfuelverbranding met hernieuwbare brandstoffen zoals waterstof en methaan een veelbelovende maar technisch uitdagende route naar koolstofarme werking van verbrandingsmotoren, waarvoor een diepgaander inzicht in de onderliggende verbrandingsverschijnselen en hun impact op motorprestaties noodzakelijk is.