Klimatavtalet från Paris kräver ett fullständig stopp för utsläpp av växthusgaser till 2050, vilket blir en högt prioriterad uppgift under detta århundrade. Många sektorer kan övergå från förbränning av fossila bränslen till renare energikällor som vind- och solkraft, men inom områden som flygindustri och produktion av topplastel kan det vara svårt att ersätta traditionella förbränningsmotorer. Dessa sektorer ställer unika krav på kompakta, pålitliga och effektiva lösningar. För gasturbiner och jetmotorer ligger nyckeln i hållbara alternativa bränslen. Vätgas, ammoniak och HVO är potentiella alternativ för gasturbiner, medan jetmotorer kan drivas med biofotogen. Men här är haken: dessa nya bränslen har andra egenskaper än de fossila motsvarigheterna, vilket gör stabil förbränning till en utmaning.

Plasma-assisterad förbränning (PAC) är en lovande metod för att tackla detta kritiska problem. Det innebär att en liten mängd elektrisk energi tillförs i förbränningsprocessen, vilket ger högre effektivitet och/eller minskade utsläpp. Genom att koppla elektrisk energi till bränslet, antingen strax före eller direkt i flamman, ökar den kemiska reaktiviteten, antändningstiden minskar och flamhastigheten ökar. Detta kan ändra utsläppen, stabilisera magrare flammor som annars skulle ha slocknat och göra ett bredare klass av biobränslen möjliga att använda. Forskare undersöker olika PAC-tekniker såsom mikrovågsplasma, dielektriska barriärurladdningar, glidande bågurladdningar och plasmajetfacklor. Hittills har det mesta av forskningen varit experimentell, men simuleringar blir allt viktigare.

I mikrovågsassisterad förbränning appliceras ett externt elektriskt fält (E-fält) genom flamman, vilket leder till jonisering och en del av gasen omvandlas till plasma. Plasman är icke-termisk, vilket innebär att elektronerna kommer ha betydligt högre temperatur än den omgivande gasen. Den höjda elektrontemperaturen leder till excitering av molekyler i plasmat, vilket förändrar gasens sammansättning och ökar reaktiviteten.

Glidande bågsurladdningar har vissa likheter med mikrovågsassisterad förbränning, men det finns också skillnader. I denna metod begränsas plasmat till en smal båge som bildas mellan två elektroder. Modelleringsmässigt är detta mer utmanande och ytterligare ekvationer behövs för elektronenergi och elektrisk potential eftersom dessa inte är konstanta och måste beräknas som en del av simuleringen. Ytterligare komplexitet är förknippad med gasens elektriska ledningsförmåga och med gränsskiktet nära elektroderna.

I vår grupp fokuserar vi på modellering och simulering av PAC för att förstå hur PAC kan öka bränslefleksibiliteten och stabiliteten hos turbulenta flammor, särskilt i gasturbiner och jetmotorer. Forskningen har utförs som en del av projekten EFFECT och EFFECT II, finansierade av Energimyndigheten, samt projektet ELECTRONICS, finansierat av Vetenskapsrådet.