Verbundvorhaben: BURN4H2 - Entwicklung von Gasturbinen-Verbrennungstechnologie und Betriebskonzepten für wasserstoffbetriebene Kraftwerke im Energiesystemverbund; Teilvorhaben: Brennerkonzeptentwicklung und Brennertests für den Betrieb mit 100% Wasserstoff

Abstract

Derzeitiger Stand der Wissenschaft und Technik: Derzeit gibt es keine Verbrennungssysteme für Industriegasturbinen über 14 MW oder große Gasturbinen, die für mehr als 50% Wasserstoff geeignet sind. Diese sind jedoch notwendig, um die Stromversorgung z. B. bei Dunkelflauten klimafreundlich und zuverlässig sicherzustellen.

Zielsetzung der Untersuchung: Ziel war die Entwicklung modularer und skalierbarer Konzepte für den Betrieb mit bis zu 100% Wasserstoff in Industrie- und großen Gasturbinen. Zusätzlich sollte ein Verbrennungssystem-Prototyp für die Industriegasturbine SGT-800 (62 MW) entwickelt und in Hochdruck-Einzelbrennertests geprüft werden.

Methode: Unterschiedliche Designelemente der Wasserstoffverbrennung wurden aerodynamisch und mechanisch analysiert sowie auf ihre Skalierbarkeit für verschiedene Leistungsklassen und Brennkammersysteme bewertet. Für die SGT-800 wurde das Konzept in Prototypendesigns integriert und mittels additiver Fertigung produziert. Diese Prototypen wurden in zwei Testkampagnen unter atmosphärischen und Hochdruck-Einzelbrennertests geprüft.

Ergebnis: Es konnten Skalierungsprinzipien für unterschiedliche Leistungsklassen und Brennkammergeometrien entwickelt werden. Für die SGT-800 wurden erfolgreiche Hochdruck-Einzelbrennertests unter realistischen Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt. Während die erste Designiteration einen 100%-Wasserstoffbetrieb nur bei reduzierter Leistung erlaubte, ermöglichte die zweite Iteration ein robustes Design mit hoher Flammenstabilität, geringen NOx-Emissionen und ohne Flammenrückschlag.

Schlussfolgerung und Anwendung: Die Ergebnisse unterstützen die Dekarbonisierung der SIEMENS ENERGY Gasturbinenflotte. Sie legen die Grundlage für die Weiterentwicklung großer Gasturbinen für einen 100%-Wasserstoffbetrieb. Erfolgreiche Tests der SGT-800 bilden die Basis für weitere Projekte, die das Verhalten des Brennerdesigns in realen Gasturbinen und Kraftwerksbedingungen untersuchen werden.