Industriegasbrennerentwicklung für Erdgas-Wasserstoff-Gemische

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Motivation

Während die Dekarbonisierung in vielen Sektoren mittels erneuerbar erzeugten Strom bereits voranschreitet, besteht in energieintensiven Sektoren wie der Stahlproduktion oder der Dampferzeugung nach wie vor ein hoher Bedarf an Hochtemperaturwärme. Eingesetzte Industriegasbrenner als integraler Bestandteil tragen aufgrund der derzeit verwendeten fossilen Brennstoffe jedoch erheblich zu den industriellen CO2-Emissionen bei.

Die teilweise oder vollständige Substitution konventioneller fossiler Brennstoffe (z.B. Erdgas) durch regenerativ erzeugten Wasserstoff stellt eine Schlüsseltechnologie zur CO2-Emissionsvermeidung in diesen Industriezweigen dar. Die größten Herausforderungen für wasserstofftaugliche Brenner sind dabei die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte für Stickoxide und die Gewährleistung einer stabilen Verbrennungsführung. Die Realisierung notwendiger komplexer Kühlelemente und Brennstoffleitungen kann durch die additive Fertigung unterstützt werden.

Der Nachweis der technischen Machbarkeit und des Potenzials zur Verringerung der CO2-Emissionen von Industriegasbrennern ebnet den Weg für die Verfügbarkeit von wasserstofftauglichen Brennern und für die Einbindung der beteiligten Industrien in ein wasserstoffbasiertes Wertschöpfungsnetz auf dem Weg zu CO2-neutralen Industrieprozessen.

 

Methode

Die Arbeitsgruppe Prozessanalyse und Systeme des Instituts für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen befasst sich in Zusammenarbeit mit universitären und industriellen Partnern mit der Entwicklung generischer Industriebrenner für den flexiblen Betrieb mit Brennstoffgemischen aus Erdgas (EG) und Wasserstoff (H2). In diesem Zusammenhang sollen geeignete Konzepte unter Berücksichtigung brennstoff- und prozesstechnischer Randbedingungen optimiert und in den Demonstrationsmaßstab überführt werden.

Die initiale Untersuchung der derzeit verwendeten Brennerkonfigurationen bildet die Grundlage für die Entwicklung und Bereitstellung geeigneter numerischer und geometrischer Modelle für H2-Brennersysteme, die die Phänomenologie der Verbrennung und Emissionsbildung für unterschiedliche Gaszusammensetzungen darstellen. Die Optimierung des Luft-Brennstoff-Gemisches für flexible Wasserstoffanteile im Brenngas wird durch eine Synthese zwischen simulativer und experimenteller Analyse der Brenner und einer daraus abgeleiteten inversen Geometrieerzeugung realisiert. Die Herstellung des Brenners mittels additiver Fertigungsverfahren ist entscheidend für die Umsetzung einer Vielzahl von Optimierungsmöglichkeiten.

Schließlich soll die Skalierbarkeit und Industrietauglichkeit unter den Aspekten Schadstoffemissionen, Temperaturen und Prozessstabilität unter Betriebsbedingungen nachgewiesen werden. Dies bildet die Grundlage für die industrielle Nutzung der entwickelten Brennersysteme sowie die Übertragung der Methoden und Kompetenzen auf andere Problemfelder (z. B. Brenner für stationäre Gasturbinen und Flugzeuggasturbinen).

 

Förderung

Dieses Projekt wird im Rahmen des Zukunftscluster Wasserstoff durchgeführt und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über einen Zeitraum von 3 Jahren finanziell gefördert.