Sebastian Rieß

Dr.-Ing. Sebastian Rieß

Gruppenleiter

Department Chemie- und Bioingenieurwesen (CBI)
Professur für Fluidsystemtechnik (FST)

Raum: Raum PZN
Prüfzentrum Nürnberg, Voltastr. 4
90459 Nürnberg

Projekte

  • Integrierter Wasserhaushalt von Anoden- und Kathodenpfad in Brennstoffzellensystemen


    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. Februar 2024 - 31. Januar 2025
    Mittelgeber: Stiftungen

  • Wasserstoff-Gemischbildung in Off-Highway-Anwendungen (Messtechnikentwicklung, -optimierung und -applikation)


    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Wasserstoff-Gemischbildung in Off-Highway-Anwendungen
    Laufzeit: 1. Januar 2023 - 31. Dezember 2025
    Mittelgeber: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) (seit 2018)
    Abstract

    Auch im Bereich der Off-Highway-Anwendungen (z.B. Baumaschinen, Tagebau) besteht eine Notwendigkeit defossiler Antriebe zur Erreichung der Klimaziele. Mit besonderen Anforderungen an Energiedichte, Robustheit und Laufzeit bieten sich hier als kurzfristig realisierbare Lösung Wasserstoffmotoren an. Die Eignung verschiedener Einblase- und Zündkonzepte für solche Motoren ist eine offene Fragestellung, derer sich das Projekt annimmt. Mit optischen Messtechniken werden Konzepte zur Saugrohr- und Niederdruck-Direkteinblasung quantitativ hinsichtlich Gemischbildung verglichen und der Einfluss des Einblasesystems (Fokus: Injektor) bewertet. Darüber hinaus erfolgt mit dem Ziel einer nahezu emissionsfreien Verbrennung eine Untersuchung der Zündung mit einer aktiv gespülten Wasserstoff-Vorkammer, um Magerbetrieb und damit die Vermeidung von Stickoxid-Emissionen zu ermöglichen. Komponenten der Einblase- und Zündsysteme sowie Untersuchungsmethodiken werden im Projekt spezifisch entwickelt.

  • CO2 Reduktion durch Brenndauerverkürzung – Optische Untersuchungen der Verbrennung in einer Hochdruck-Hochtemperatur-Kammer


    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: CO2 Reduktion durch Brenndauerverkürzung
    Laufzeit: 1. Oktober 2022 - 31. März 2025
    Mittelgeber: AIF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
    Abstract

    Im konventionellen Dieselbrennverfahren besteht weiteres Wirkungsgradpotential in der Reduzierung der Wandwärmeverluste und in der Verkürzung der Brenndauer. Mit Blick auf potentielle Maßnahmen zur Reduzierung der Brenndauer besteht noch grundlegender Forschungsbedarf.

    Der Brennverlauf in Dieselmotoren lässt sich in drei Zeitanteile unterteilen:

    1. Der erste Zeitanteil der Verbrennung läuft in der Regel vorgemischt und damit recht schnell (d.h. mit hoher Wärmefreisetzungsrate) ab. Die Zündung als fortschrittsbestimmender Mechanismus für die Verbrennung ist hierbei vor allem reaktionskinetisch kontrolliert.
    2. Der zweite Zeitanteil der Verbrennung läuft primär mischungskontrolliert, d.h. kontrolliert durch die makroskopische Turbulenz (Einspritzung und Drall) und durch die auf molekularer Ebende ablaufende Diffusion, ab. Von erheblichem Einfluss ist hierbei die durch die Einspritzung eingebrachte turbulente kinetische Energie. Diese führt insbesondere bei Motoren mit Direkteinspritzung zur einer erheblichen Beschleunigung des Verbrennungsumsatzes.
    3. Der dritte Zeitanteil wird sowohl von der abklingenden Turbulenz nach dem Einspritzvorgang, sowie von der Diffusion, also den Konzentrationsunterschieden im Gemisch, beeinflusst. Trotz der hohen Temperaturen laufen die Diffusionsprozesse nicht ausreichend schnell ab, so dass sich dieser dritte Zeitanteil der Verbrennung selbst in DI-Dieselmotoren als relativ lang und damit ungünstig für den thermodynamischen Wirkungsgrad erweist. Im Gegensatz zur zweiten Verbrennungsphase fehlt hier vor allem der beschleunigende Anteil durch ein ausreichendes Turbulenzniveau.

    Im Projekt werden simulative und experimentelle Untersuchungen über innovative Maßnahmen zur Verkürzung der diffusiven Ausbrennphase in Dieselmotoren durchgeführt.

  • Konzeptionierung und Aufbau eines Heavy Duty Brennstoffzellensystems (FCS-HD)


    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Konzeptionierung und Aufbau eines Heavy Duty Brennstoffzellensystems (FCS-HD)
    Laufzeit: 1. Dezember 2021 - 30. November 2024
    Mittelgeber: andere Förderorganisation
    Abstract

    Das Ziel des Verbundprojektes ist es, ein Brennstoffzellensystem für die Nutzfahrzeuganwendungen zu entwickeln. Dabei wird ein innovatives und modulares Labor-Brennstoffzellensystem analysiert und die kritischen Komponenten bezüglich der Nutzfahrzeuganforderungen identifiziert und die Systemleistung entsprechende der spezifischen Anforderungen angehoben. Hierfür wird ein leistungsstärkerer Stack integriert und die System- und  Komponentenauslegung den Anforderungen angepasst. Die kritischen Komponenten sollen in diesem Projekt hinsichtlich Lebensdauer, Effizienz, Robustheit und Kosten optimiert bzw. weiterentwickelt werden. Auch ein gleichzeitiger Betrieb mehrerer Brennstoffzellen-Systeme soll realisiert werden, um die notwendige Systemleistung abzubilden. Eine Optimierung der Betriebsstrategie sowie die Erweiterung der Software-Funktionen sollen den Betreib des Heavy Duty Brennstoffzellensystems in der Nutzfahrzeuganwendung sicherstellen.

  • Gemischbildung und Verbrennung von Alkoholen und anderer biogener Kraftstoffe in mischungskontrollierten Brennverfahren


    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. Oktober 2020 - 31. März 2023
    Mittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)
    Abstract

    Die erste Projektphase zuBioethanol-haltigen Dieselkraftstoffen zeigte, dass die Luftbeimischung zuunter Motorbedingungen injiziertem Kraftstoff als unabhängig von seiner Zusammensetzungbetrachtet werden kann. Für verschiedene Substanzen resultieren in derstationären Phase lokal gleiche Kraftstoff-Luft-Massenverhältnisse, die durchdas Einspritzsystem gezielt eingestellt werden können. Ein Kraftstoffeinflusskommt erst beim Übergang von physikalischer Gemischbildung zu chemischerVerbrennung zu tragen. Charakteristika wie ein (Biokraftstoff-typischer)Sauerstoffgehalt führen zu magereren Gemischen. Dies erlaubt bei Auswahl einesalternativen Stoffs die Fokussierung auf chemische Eigenschaften.Problemstellungen der Schadstoffemission und endlicher Ressourcen können sosimultan und synergetisch behandelt werden: Durch Verwendung von Biokraftstoffenmit geeigneter chemischer Charakteristik wird der Verbrennungsverlauf gezieltso beeinflusst, dass geringe Emissionen entstehen.

    Neben dem Alkohol Ethanol sollen in der beantragten zweiten Projektphase HVO und 1-Octanol untersuchtwerden. Durch Analyse der Mischungshomogenität via Raman-Spektroskopie sollbeurteilt werden, ob ein Kraftstoffeinfluss auf mikroskopischer Ebene besteht.Darauf aufbauend soll die Verbrennungsvorgang alternativer Kraftstoffe inEinspritzkammer, Rapid Compression Machine und Einzylindermotor analysiert und dieAnwendungsnähe sukzessive maximiert werden. Ziel ist es Möglichkeiten undGrenzen einer optimalen Verbrennungsführung durch alternative Kraftstoffe füreinen oder wenige Betriebspunkt(e) im realen Anwendungsfall aufzuzeigen. UmErkenntnisse direkt nutzbar zu machen und den Transfer zwischen denPrüfstandssystemen zu optimierten, erfolgt ein stetiger Übertrag in dienumerische Simulation. Hierzu erforderliche Stoffdaten werden projektimmanent viaRaman-Spektroskopie bestimmt und geben eine aktuell benötigte Datenbasis überdas Projekt hinaus.



  • Kompressionszündung regenerativer Kraftstoffe


    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Injection, mixing, and autoignition of e-fuels for CI engines
    Laufzeit: 1. Juni 2020 - 31. Mai 2022
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    One part of sustainable future mobility will be e-fuels synthesized using regenerative energy. They provide chemical energy storage and are an important step on the way to controlled, clean, and efficient combustion. However, to convert them back into mechanical power, their physical-chemical behavior in the internal combustion engine needs to be understood and condensed into simulation tools for design. At the same time, certain classes of e-fuels promise to be much more conducive to clean and efficient engine combustion. The target of this project are oxygenated e-fuels for compression-ignition engines.
    The project goal is to acquire a better understanding of the spray atomization and ignition of oxygenated e-fuels. Starting from a reference fuel that represents current diesel fuels, the proposed project will focus on oxygenated e-fuels and derived blends. With an array of experimental techniques, the species distribution and temperature field in free jets will be measured quantitatively. CFD simulations and chemical mechanism reduction are used to complement the experimental results. Experiments and simulation in an optically accessible engine then are used to tranfer these transfer to the much more complex boundary conditions of a running engine. Each project partner will perform experiments with the same injectors and boundary conditions, and will first use simple optical techniques to make sure that indeed the spray behaves as in the other laboratories. Based on this common experiment, each partner then contributes additional physical insight with the advanced optical diagnostics or simulation that are the specialty expertise of that research group (e.g., laser-induced fluorescence, Rayleigh and Raman scattering), such that a very complete picture of spray, mixing, and ignition can be assembled.
    The research network consists of institutes with a expertise in combustion research using optical diagnostics and multidimensional simulations. The Institute of Engineering Thermodynamics at Friedrich-Alexander University (FAU/GER), the Combustion Research Facility at Sandia National Laboratories (SANDIA/USA), and the Institute for Combustion and Gas Dynamics at the University of Duisburg-Essen (UDE/GER) all will measure the temperature and species distribution in the fuel jet, but each with different optical methods to minimize overall experimental uncertainties. They will also image several indicators of cold-stage and hot-stage ignition. The Department of Mechanical Engineering at Shanghai Jiao Tong University (SJTU/CHN) will derive chemical kinetic models as an input for simulations at the Institute of Powertrains and Automotive Technology at Vienna University of Technology (TUW/AUT). Their CFD simulation will be validated against the experiment, but will also provide additional information that is not accessible by experiments. The project will be guided by an advisory board from industry with representatives from both SMEs and larger companies.
    The main expected result is the promotion of innovations in the field of renewable-energy storage. Such innovations will create additional demand in chemical process engineering, catalysis, and process equipment for synthetic fuel design and production. The experimental and numerical methods developed in the proposed research project will help the R&D in high-tech companies specialized in measurement technologies, optical systems, and simulation of reactive flows. In these areas, major developments and market contributions are provided by small and medium size enterprises (SME).

  • Grundlegende Studie von Dual-Fuel-Verbrennungsmotoren basierend auf dem Kraftstoffdesign-Konzept


    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. Januar 2019 - 31. Dezember 2021
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract

    Diesel engines are widely used as power devices in commercial vehicles, engineering and agricultural machineries. However, recent social trends as well as the stringent emissions legislations referring to diesel engines are able to precipitate legislative actions for the partial substitution of diesel by cleaner fuels in the imminent future. China and Germany are both the primary countries of automobile production and sales, and have both joined the Paris Agreement to cope with the global climate change. Th erefore, both countries have the same demand in energy saving and emissions reduction in the transportation field, and the development of high efficiency and clean diesel engine combustion concept s , e.g. dual fuel compression ignition engines, is in line w ith their national strategies. The combustion process in the so called dual fuel engines refers to the compression ignition of the direct ly injected fuel in a premixed gaseous or liquid fuel/air environment. The underlying cause is that in a dual fuel combustion, most of the direct ly injected fuel is burned in the premixed combustion regime and soot formation from the diffusive burn could be significantly reduced. Furthermore, depending on the carbon content of the premixed and directly injected fuel, the d ual fuel operation mode can lead to significant decrease in carbon dioxide emission. The proposed joint research in this project will exploit the complementary facilities and expertise of Shanghai Jiao Tong University (SJTU) and Friedrich Alexander University of Erlangen Nuremberg (FAU) for the development
    and optimization of dual fuel engines with low carbon fuels such as natural gas, methanol, dimethyl ether and polyoxymethylene dimethyl ethers. Based on the scientific problems to be addressed and techni ques to be used, FAU will focus on the characterization of the fuel injection , mixing and ignition processes in the dual fuel regime using an in house designed constant volume vessels which is able to provide an ultra high temperature and pressure
    environment. T he findings will provide scientific and technical guidance for the development of controllable ignition and highly efficient low emissions combustion strategies for dual fuel engines, which will be conducted by the SJTU team. Additionally, the colla boration between SJTU and FAU will offer a unique training platform for PhD students and early career researchers from both sides. This unique training experience will equip them with skills, knowledge and international vision, contributing to their future careers and also enabling them to
    propose possible solutions to global problems in the future.

  • Gemischbildung Qualitativ


    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Gemischbildungsverhalten Bio-Ethanol-haltiger Kraftstoffe unter dieselrelevanten Bedingungen
    Laufzeit: 1. März 2016 - 28. Februar 2018
    Mittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)
    Abstract

    Ziel dieses Vorhabens war die quantitative Messung der Mischung von unter dieselmotorischen Bedin-gungen eingespritztem Kraftstoff (mit und ohne Bio-Ethanol-Anteil) mit der umgebenden Fluidat-mosphäre. Dieses Vorhaben reichte von der Beschreibung der Mischungsvorgänge in Modellen, über quantitative Messwerterfassung bis hin zur Simulation der Mischungsvorgänge am Rechner. Die ge-wonnenen Ergebnisse ermöglichen eine gezielte Optimierung der Gemischbildung in Dieselmotoren. Dabei steht der Kraftstoff im Fokus, wofür im Projekt neben Bio-Ethanol, auch der Reinstoff Dekan ver-wendet wurde. Für die Übertragung auf anwendbare Systeme wurden zusätzlich Realkraftstoffe wie Biodiesel (RME), Referenzdieselkraftstoff und Gas-to-Liquid (GtL) Diesel verwendet, sowie verschie-dene Gemische (Blends) der vorgenannten Kraftstoffe. Basierend auf Mie-Streulicht-, Schlieren- und quantitativen Messungen mittels Raman-Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass das Air-Ent-rainment und die daraus resultierende Gemischverteilung weitestgehend kraftstoff-unabhängig sind. Die Gemischbildung ist nicht nur eine, wie oft in einschlägiger Literatur dargestellte Abfolge von Primärzer-fall und Sekundärzerfall, sondern wird maßgeblich vom initialen Kraftstoffimpuls dominiert.

  • Alternative erneuerbare Kraftstoffe aus Kunststoffabfall und ihre Verbrennungs- und Emissionseigenschaften in der Dieselmotorischen Verbrennung


    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. Juli 2015 - 30. Juni 2017
    Mittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

  • Anwendung von Wasserstoff


    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Bayerisches Wasserstoffzentrum
    Laufzeit: 1. Januar 2012 - 31. Dezember 2016
    Mittelgeber: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StMWIVT) (ab 10/2013)
    URL: https://www.bh2c.de/
    Abstract

    Im Teilprojekt III werden Technologiebedarf, erreichbare Leistungen und Integration in den LOHCSystemverbund für die (Rück-)Verstromung von Wasserstoff mit thermischen Maschinen untersucht.
    Betrachtet werden die drei in der Energietechnik bedeutendsten thermischen Maschinen - Gasturbinen
    (TP III.1.1), Hubkolbenmotoren (TP III.1.2) und Dampfkraftprozesse (TP III.1.3). Für alle drei
    Anlagentypen ist die wärmetechnische Integration der Maschinen in das Gesamtsystem entscheidend für
    die erreichbaren Wirkungsgrade. Die Verbundeffizienz profitiert maßgeblich durch Nutzung von Abwärmen
    der thermischen Prozesse, setzt jedoch auch Grenzen in der Optimierung der thermischen Maschinen,
    damit eine für die Dehydrierung ausreichende Wärmeenergie zur Verfügung steht. Im optimierten Fall
    übersteigt der Wärmebedarf der Dehydrierung des LOHC Marlotherm die verfügbare Abwärme sowohl der
    Turbine als in geringerem Umfang auch des Motors. Spezifisch für die drei Wärmekraftprozesse müssen
    die Maschinen für den Wasserstoffbetrieb und die im Projektverbund ermittelten speziellen
    Randbedingungen der LOHC Technologie betrachtet werden.

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