Untersuchungen zur Wasserstoffverbrennung

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Motivation

Zur Umsetzung der internationalen Klimaziele ist der weitere Ausbau von Energieversorgungsanlagen notwendig, die erneuerbare Energiequellen verwenden. Aufgrund schwieriger Prognostizierbarkeit und natürlichen Schwankungen von Sonnen- und Windaufkommen nehmen Fluktuationen der erzeugten Leistung bei deren Ausbau zu. Diese lokalen und temporären Über- und Unterversorgungen müssen zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit ausgeglichen werden. Dazu sind regelbare Systemkomponenten notwendig, die bedarfsgerecht zu- oder abgeschaltet werden können. Gasturbinen eignen sich aufgrund der kurzen Startup-Zeiten, hohen Lastgradienten und einem weiten Betriebsbereich als regelbare und flexible Komponente in einem regenerativ dominierten Energieversorgungssystem.

Als CO₂-freier Gasturbinenbrennstoff bietet sich Wasserstoff an, da dieser beispielsweise über Elektrolyse regenerativ erzeugt werden kann. Die Verbrennungseigenschaften einer Wasserstoffflamme unterscheiden sich jedoch stark von denen einer Erdgasflamme. So sind insbesondere die laminare Flammengeschwindigkeit und die adiabate, stöchiometrische Flammentemperatur einer Wasserstoffflamme bedeutend größer. Konventionelle DLE (dry low emission) Brennkammern, die auf den Einsatz von Erdgas ausgelegt sind, können daher nicht mit Brennstoffmischungen mit einem hohen Wasserstoffanteil betrieben werden. Zur Untersuchung neuartiger brennstoffflexibler Verbrennungskonzepte für Gasturbinenbrennkammern ist am IKDG ein Hochdruck Brennkammerprüfstand errichtet worden.

 

Methode

Der Prüfstand ermöglicht Untersuchungen an Dosenbrennkammern industrieller Gasturbinen unter realen Betriebsbedingungen. Es können Brennkammern mit einer maximalen thermischen Leistung von bis zu 10 MW und einer Abgastemperatur von bis zu 1350°C getestet werden. Die Luftversorgung ist in der Lage, einen Luftmassenstrom von bis zu 12 kg/s bei maximal 24 bar und 550°C bereitzustellen. Die Brennstoffversorgung am IKDG hat Zugang zu Wasserstoff und Erdgas. Zusätzlich kann über eine Mischanlage die Brennstoffzusammensetzung stufenlos zwischen 100 % Erdgas und 100 % Wasserstoff variiert werden.

Ziel der verschiedenen Untersuchungen ist insbesondere der Einfluss der Brennstoffzusammensetzung auf die Stickoxidemissionen und die Flammenstabilität der Brennkammer. Der Prüfstand bietet die Möglichkeit zur Nutzung von Reduktionstrategien für Stickoxide, wie beispielsweise Wassereinspritzung. Die Luftversorgung wird durch einen sechsstufigen Getrieberadialverdichter sichergestellt. Die ersten vier Stufen dieses Verdichters sind zwischengekühlt, was einerseits den Wirkungsgrad verbessert und andererseits für eine konstante Austrittstemperatur der Luft sorgt. Diese wird anschließend in einem separaten Luftvorwärmer auf das gewünschte Temperaturniveau erhitzt. Zur Abkühlung des Abgases, bevor es durch das Gegendruckventil in den Kamin geleitet wird, wird ein Einspritzkühler (Quench-Kühler) hinter der Brennkammer eingesetzt. Dadurch ist es möglich Temperatur, Druck und Massenstrom in der Brennkammer in weiten Bereichen unabhängig voneinander einzustellen.