Wasserstoff-Anreicherung in Gasturbinen

Wasserstoffeinspeisung-Verbrennung

Wissenschaftler vom Institut für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart entwickeln neue laserbasierte Messmethoden, um die Verbrennungsprozesse in Gasturbinen besser verstehen zu können und Gefahren einzudämmen. Ein zu hoher H2-Anteil am Gasgemisch könnte die Brennkammer in Gasturbinen zerstören. Entsprechende Forschung und Entwicklung sind wichtig für das Gelingen der Energiewende, denn Wasserstoff kann überschüssigen Ökostrom aus dem Netz speichern und bei Bedarf wieder effizient in Gasturbinen verstromt werden. Das reduziert die CO2-Emissionen und stabilisiert die Stromnetze.

Hinter einer großen Fensterscheibe aus Quarzglas beobachtet das Team um Isaac Boxx eine Flamme. Verschiedene Messgeräte analysieren einen grünen Laserstrahl, der quer über den Messstand verläuft. Dabei hilft eine extrem schnelle und zeitlich hochauflösende Lasermesstechnik, die im Zuge dieses Projekts entwickelt wurde und künftig weiter verfeinert werden soll. „Allein mit dem menschlichen Auge könnte man die Turbulenzen in der Flamme nicht erkennen“, erläutert Wissenschaftler Boxx. Mit den besonders realitätsnahen Versuchsanordnungen soll das im Stuttgarter Labor jedoch gelingen. Es ist eines der wenigen Labore weltweit, die überhaupt die Ausstattung und das Know-how besitzen, um derartige Messungen durchzuführen.

Isaac Boxx beschäftigt sich am DLR seit zehn Jahren mit dem Verhalten von Gas in Brennkammern und leitet das Projekt Hyburn. Das Kürzel steht für die englische Form des Titels „Neuartige Mess- und Simulationsmethoden zur Untersuchung von Wasserstoffbeimischungen in Gasturbinen“.

Die Prozesse in Brennkammern spielen sich in Millisekunden ab. Um sie überhaupt sichtbar machen und besser verstehen zu können, liefert die neue Messtechnik 10.000 Bilder pro Sekunde. „So werden die Flammenstruktur und das Strömungsfeld präzise erfasst“, betont Boxx.

Software analysiert das Brennverhalten

Mithilfe der ermittelten Messdaten simulieren die Forscher Verbrennungsprozesse, um sie am Computer genauer auswerten zu können. „Die entwickelte Diagnosesoftware ist das ideale Instrument, um die Wirkung eines höheren H2-Anteils auf das Brennverhalten der Flamme zu analysieren”, freut sich Boxx. Das Projekt wird auch vom Europäischen Forschungsrat ERC mit einem sogenannten Consolidator Grant für exzellente Wissenschaftler gefördert. Rund zwei Millionen Euro fließen dadurch in den fünf Jahren Laufzeit in das Projekt.

Das Projekt Hyburn ist für die Energiewende von nicht zu unterschätzender Bedeutung: Erneuerbare Energien haben Ende 2017 bereits mehr als 33,1 Prozent des Strommixes in Deutschland gedeckt. Zu dieser vorläufigen Einschätzung kommt der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW). Wind und Sonne lieferten 217 Milliarden Kilowattstunden. Dieser hohe Ökostromanteil erfüllt fast die Vorgaben der Bundesregierung, die sich bis 2020 einen Anteil von 35 Prozent als Klimaziel verordnet hat. Doch der Ökostromanteil soll und muss weiter steigen, um spätestens 2050 zwischen 80 und 95 Prozent zu liegen.

Gasturbinen lieferten laut BDEW 13,1 Prozent des erzeugten Stroms. Sie ergänzen die Stromerzeugung aus Erneuerbaren besonders gut, weil sie sich schnell rauf- und runterregulieren lassen und somit flexibel auf die fluktuierende Ökostromerzeugung reagieren können. Immer mehr überschüssiger Ökostrom könnte künftig mittels Elektrolyse als Wasserstoff im Erdgasnetz gespeichert werden, somit fossiles Erdgas teilweise ersetzen und helfen, die Klimaziele zu erreichen.

Autor: Niels Hendrik Petersen

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