Hållbar framdrivning & kraft

Forskningen omfattar förbränning i gasturbiner och jetmotorer, hållbara flygbränslen, roterande detonationsmotorer, förbränning i ramjet- och scramjetmotorer, utsläpp och plasmaassisterad förbränning samt optimerade termodynamiska cykler för att skapa miljövänliga lösningar för flyg-, fordons- och energiindustrin.

Hållbara flygbränslen

Hållbara flygbränslen (SAF) är förnybara alternativ till konventionella jetbränslen och ger betydande miljöfördelar. De kan framställas av biomassa, spilloljor, fast kommunalt avfall eller syntetiska processer med hjälp av förnybar vätgas och infångad koldioxid och kan avsevärt minska utsläppen av växthusgaser under hela livscykeln. SAF är idag ”drop-in”-bränslen, som används i blandningar med fossila jetbränslen för att underlätta kompatibilitet med befintliga flygplansmotorer och infrastruktur utan att kräva modifieringar. För framtiden måste vi utveckla SAF som kan användas utan inblandning av fossila jetbränslen. För att kunna skala upp produktionen av SAF måste man övervinna utmaningar som råvarutillgång, kostnadseffektivitet och tekniska framsteg. Användningen av SAF är avgörande för att minska flygets miljöpåverkan och uppnå de globala målen om nollutsläpp.

Här leder vi kompetenscentret CESTAP (cestap.se), som finansieras av Energimyndigheten, industrin och den akademiska världen tillsammans, och som fokuserar på hållbara turbinbränslen för både el- och kraftproduktion samt flyg. Utöver CESTAP deltar vi i tre EU-projekt, MORE & LESS, MYTHOS, CIRCULAR FUELS och ett EU-EDF-projekt NEUMANN som har samma övergripande mål. Tillsammans spänner dessa aktiviteter över hela spektrumet av SAF-relaterade utmaningar, från råvarukonvertering till bränsletester och livscykelanalys.

Förbränning med roterande detonation

Motorn med roterande detonation (RD) drivs av en ny form av förbränning och har nyligen hyllats som en lovande revolutionerande drivkraft för luftfarkoster och kraftgenerering. RD-motorer använder tryckförstärkningsförbränning och har potential för högre termodynamisk effektivitet och erbjuder ett möjligt genombrott för den platåformade konventionella pro-pulsiontekniken. Trots detta återstår mycket att förstå om de grundläggande principer som styr RD-vågor, innan man kan uppnå de eftertraktade prestandavinsterna.

Gruppens nuvarande arbete fokuserar främst på att utveckla en robust modell för att undersöka de underliggande vågfenomenen genom simuleringar av strömningsdynamik med hög tillförlitlighet (high-fidelity computational fluid dynamics). Genom att utnyttja vår expertis inom förbränningsanalys är målet att studera mekanismerna bakom RD och bidra till förbättringar av brännkammardesignen.

Förbränning med ramjet och scramjet

Överljudsflyg förväntas få ett kommersiellt uppsving i framtiden i takt med att nya vätgasdrivna framdrivningssystem utvecklas. Ramjet- och scramjetmotorer är lovande tekniker som kan möjliggöra interkontinentala civila transporter i super- och hypersoniska hastigheter samtidigt som utsläppen av växthusgaser minimeras. Dessa höghastighetsflygplan, som opererar i stratosfären, skulle avsevärt kunna minska de kortaste restiderna mellan kontinenterna och föra världen närmare varandra.

På vår division bedriver vi grundforskning om förbränning i överljudsfart med fokus på kritiska områden som flamstabilisering, interaktioner mellan chock och gränsskikt, kombinationskemi, plasmaassisterad förbränning och kväveoxidbildning. Denna forskning är avgörande för att göra ramjet- och scramjet-tekniken genomförbar. Vi samarbetar med ledande globala partners och använder datorsimuleringar med hög precision för att bygga upp kunskap inom dessa nyckelområden.

Jetmotorer och gasturbiner

Gasturbinmotorer används i stor utsträckning för framdrivning av flygplan och kraftgenerering. Genom att införa alternativa bränslen i den befintliga infrastrukturen kan deras klimatpåverkan minskas, och vi undersöker de tekniska konsekvenserna av denna övergång genom numeriska simuleringar och experimentella kampanjer.

Våra simuleringar inriktas på ett brett spektrum av fall och förhållanden, inklusive laminära lågor, representativa riggar i labbskala och fullskaliga jetmotorer. Detta görs i nära samarbete med experimentalister, vilket möjliggör ömsesidig validering mellan dataset. Genom denna forskning förbättrar vi våra modellers prediktiva förmåga och öppnar nya designvägar för nästa generations gasturbiner.

Utsläpp av koldioxid

Gasturbinmotorer används i stor utsträckning inom transport och kraftproduktion, och att minska deras koldioxidutsläpp kommer att vara avgörande för att bekämpa klimatförändringarna. Motorerna kan också släppa ut en rad skadliga föroreningar, bland annat kolmonoxid, sot och kväveoxider, som måste minimeras för att skydda människor och den lokala miljön. Utsläppsprofilen är starkt beroende av bränslets kemiska sammansättning, och det krävs särskild forskning för att undersöka hur detta förhållande ser ut när traditionella fossila bränslen fasas ut till förmån för nya, koldioxidneutrala bränslen.

Vi använder motortester och numeriska simuleringar för att studera om, hur och varför olika bränslen leder till olika utsläppsprofiler. Vårt arbete omfattar direkta mätningar på riktiga gasturbiner, kompakta simuleringar av kemisk kinetik och CFD-simuleringar av fullskaliga motorer. Den stora mängd data som genereras genom detta arbete ger oss den förståelse som krävs för att utveckla exakta prediktiva modeller för ett brett spektrum av bränslen.

Plasmaassisterad förbränning

Plasmaassisterad förbränning (PAC) är en lovande teknik för att förbättra bränsleeffektiviteten och minska utsläppen. Genom att öka reaktiviteten möjliggör PAC en magrare förbränning och stöder användningen av hållbara bränslen genom bättre flamstabilisering.

Vår forskning fokuserar på att öka förståelsen för PAC med hjälp av numerisk modellering och simulering som komplement till experimentella studier. Tidigare arbeten har undersökt beteendet hos mikrovågsinducerad plasma genom simuleringar som sträcker sig från 0D (nolldimensionell) till 3D. Att integrera mikrovågsinducerad plasma i verkliga turbiner eller en-giner innebär dock betydande utmaningar.

För att ta itu med detta är vår nuvarande forskning inriktad på Gliding Arc Discharge (GAD), en alternativ metod för att generera lågtemperaturplasma som är mer kompatibel med turbin- och motormiljöer. Vi strävar efter att modellera GAD och undersöka dess effekter på kemisk kinetik för att bättre förstå dess roll i förbränningssystem.