Sicher und präzise eingedüst

Erste Mikromisch-Gasturbinen verbrennen reinen Wasserstoff

GAT-WAT
H2-Turbine von Siemens, © Siemens
© Siemens

Die Gasturbine Kawasaki M1A ist ein Meilenstein für die Energiewende. Sie arbeitet seit Juli 2020 auf einer Hafeninsel vor Kobe und ist die erste Gasturbine mit vollständiger, trockener und stickoxidarmer Wasserstoffverbrennung, der sogenannten Dry-Low-NOX-Verbrennung. Denn H2 ist äußerst reaktiv, und genau dadurch unterscheidet sich die Verbrennung eines Wasserstoff-Erdgas-Gemisches von der von reinem Erdgas.

„Andere Hersteller versuchen derzeit den Wasserstoffanteil zu erhöhen, behalten aber die bisherige Vormischtechnologie bei. Dies wird bei Volumenanteilen von über 80 Prozent aber extrem schwierig und ist hinsichtlich der Betriebssicherheit problematisch“, erklärt Dr. Karsten Kusterer. Er ist Geschäftsführer der Firma B&B-AGEMA aus Aachen, die unter anderem Ingenieurdienstleistungen für Energie- und Kraftwerkstechnik anbietet und die Turbine für Kawasaki mitentwickelt hat.

Die Schlüsseltechnologie der Gasturbine in Kobe ist eine neu entwickelte Brennkammer von Kawasaki, die das Prinzip der sogenannten Mikroverbrennung anwendet. Die trockene, NOX-arme Verbrennungstechnologie verbessert den elektrischen Wirkungsgrad im Vergleich zur herkömmlichen Methode. Während andere technische Ansätze auf konventionelle vorgemischte Verbrennungssysteme setzen, die immer ein Restrisiko für explosive Zustände von Wasserstoff-Luft-Gemischen beinhalten, erreicht die neue Mikromisch-Technologie laut Kusterer eine hohe Betriebssicherheit. Deswegen hat B&B-AGEMA in der Zusammenarbeit mit Kawasaki sowie der Fachhochschule Aachen auf die neue Technologie gesetzt, erklärt Kusterer: „In der Brennkammer gibt es eine große Zahl kleiner Flamen. Für jede dieser Flammen existiert eine kleine H2-Düse, die in einen jeweils separaten Luftstrahl den Wasserstoff eindüst.“

Flammenrückschlag vermeiden

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Der Brennstoff muss in der Luft trotz höherer Verbrennungstemperaturen mit möglichst geringen Stickoxidwerten verbrennen, beschreibt Kusterer. Bei üblichen Vormischbrennern bestehe das Risiko von Flammenrückschlägen, welches mit zunehmendem Wasserstoffanteil immer höher werde. Dieses sicherheitstechnische Problem wurde durch die Mikromisch-Technologie gelöst, denn der Luftstrahl sei in seinen Parametern sehr präzise einzustellen. „Das derzeit laufende erste Jahr im Feldbetrieb wird nun genutzt, um weitere Feineinstellungen vorzunehmen. Aber die prinzipielle technologische Umsetzung ist abgeschlossen“, sagt Kusterer. Die Technologie wird nun für die größeren Gasturbinen von Kawasaki vorbereitet. Das Portfolio des Herstellers reicht bis 30 MW Leistung.

Am Ende hat sich die Arbeit von mehr als zehn Jahren Vorbereitung gelohnt. Die Tests vor dem Gasturbineneinsatz sind in Akashi und Aachen durchgeführt worden. In Aachen zunächst an der Fachhochschule für atmosphärische Tests in der Entwicklungsphase. Später wurden unter den Druckbedingungen der Gasturbine komplette Brennkammern auf einem Prüfstand an der RWTH Aachen mit reinem Wasserstoff gefahren. Prof. Dieter Bohn hat den Hochdruckprüfstand am Institut für Dampf- und Gasturbinen (damals IDG, jetzt IKDG, Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen) 2009 speziell für solche Anwendungen aufgebaut.

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Autor: Niels Hendrik Petersen

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