FLOX OptiSysKom AP 2.2 - Flexibles Gasturbinenverbrennungssystem für die nächste Gasturbinengeneration - Brennstoffe mit hohem Wasserstoffanteil, Untersuchung im Labormaßstab; Verbundvorhaben Optimierung der Prozesse und Systeme sowie der Lebensdauer der Gesamtanlage und ihrer Komponenten (OptiSysKom), Teilvorhaben 2.2

Abstract

Innovative Gasturbinen sind entscheidend für die Energiewende, da sie flexibel auf schwankende erneuerbare Energiequellen reagieren und komplexe Energiesysteme optimieren können. Die Nutzung von Wasserstoff ist für eine CO2-freie Stromversorgung essentiell. Das AG Turbo Projekt FLOX OptiSysKom AP 2.2 zielte darauf ab, ein Verbrennungssystem zu entwickeln, das den Einsatz von Wasserstoff und Brennstoffen mit hohem Wasserstoffanteil ermöglicht. Jetstabilisierte Brenner bieten eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Drallbrennern, da sie eine exzellente Flexibilität und niedrige Schadstoffemissionen aufweisen. Die Machbarkeit des Betriebs mit 100 % Wasserstoff wurde im Vorhaben erneut bestätigt, jedoch erforderte dies intensive Untersuchungen zur Zuverlässigkeit, insbesondere im Hinblick auf Flammenrückschlag und Selbstzündung aufgrund der hohen Reaktivität von Wasserstoff. Einzeldüsenuntersuchungen bieten hierfür ein adäquates und bereits erprobtes Mittel, da sie Originalkomponenten unter definierten Randbedingungen verwenden und detaillierte Untersuchungen in optischen Brennkammern ermöglichen. Bei den vorgestellten Untersuchungen wurden Betriebsgrenzen für verschiedene Betriebszustände von Wasserstoffflammen bei realistischen Gasturbinenbedingungen ermittelt, wobei Einflussgrößen wie Druck, Eintrittstemperatur und Jetgeschwindigkeit systematisch variiert wurden. Flammenrückschläge wurden mit Hilfe eines optischen Mischrohrs direkt beobachtet. Die alternativ eingesetzten metallischen Mischrohre verfügten über eine Zusatzeinrichtung zur Vermeidung von Flammenrückschlägen und damit zur Erweiterung der Betriebsgrenzen. Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben war Teil des Verbundprojekts OptiSysKom - Optimierung der Prozesse und Systeme sowie der Lebensdauer der Gesamtanlage und ihrer Komponenten, einem Forschungs- und Entwicklungsprogramm der AG Turbo zur Unterstützung der Energieforschung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. OptiSysKom untergliederte sich in drei Arbeitspakete und wurde von 13 Forschungspartnern durchgeführt. Das Vorhaben war als AP 2.2 Teil des zweiten Arbeitspakets Komponentenoptimierung zur CO2-Reduktion und behandelte Forschungs- und Entwicklungsaspekte künftiger innovativer Gasturbinenbrennertechnologie im Bereich der Brennstoffflexibilität mit hohem Wasserstoffanteil und 100 % Wasserstoff. Das Projekt zielte darauf ab, die Betriebsgrenzen für Brennstoffe mit erhöhter Reaktivität unter realen Gasturbinenbedingungen zu messen und zu bewerten, sowie primäre Einflüsse auf diese Grenzen zu untersuchen. Hochdruckversuche im Hochdruckbrennkammerprüfstand HBK-S des DLR VT wurden durchgeführt, um den Betrieb mit verschiedenen Wasserstoff-/Erdgasmischungen zu testen. Aufgrund von Covid-19-bedingten Verzögerungen verschob und fokussierte sich das Interesse auf 100 % Wasserstoff. Ein spezieller Versuchsträger mit einer Einzeldüse, repräsentativ für moderne jetstabilisierte Gasturbinenverbrennungssysteme, wurde verwendet. Die Hauptuntersuchungen konzentrierten sich auf den unpilotierten Betrieb bei hohen Drücken, Vorheiztemperaturen und Flammentemperaturen. Alle Arbeitsziele und der Projektablauf sind im Teil I ausführlicher dargestellt Datei-Upload durch TIB