Thermische Kraftwerke
Turbomaschinen auch in klimaneutraler Welt unverzichtbar

Weg von fossilen Brennstoffen hin zu Flüssiggas, Biogas oder synthetischen Gasen wie Wasserstoff: Thermische Kraftwerke sollen in Zeiten der Energiewende auch beziehungsweise vor allem mit diesen Brennstoffen oder Brennstoffgemischen effizient und emissionsarm arbeiten. Zudem müssen die Kraftwerke schnell, verlässlich und effizient Strom produzieren, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht. Das stellt Gasturbinen vor große Herausforderungen. Hier unterstützt das Verbundvorhaben ECOFlexTurbo, indem es Verbrennungssysteme erforscht und für die nächste Gasturbinengeneration weiterentwickelt.

Effiziente Turbomaschinen flexibel betreiben

Der stetige Ausbau erneuerbarer Energien erfordert von Gaskraftwerken zunehmende Flexibilität hinsichtlich Betrieb und Brennstoff. Dabei beanspruchen insbesondere häufige Starts und Übergänge in den Teillastbetrieb sowie der Betrieb mit Gemischen aus Erdgas und Wasserstoff bis hin zu reinem Wasserstoff die Lebensdauer der Turbinen und ihrer Komponenten. Zudem werden für längere Phasen mit unzureichend Strom aus Windenergie oder Photovoltaik in den Kraftwerksprozess integrierte Speicherkapazitäten benötigt. Hier spielt grüner Wasserstoff, der zu Zeiten von Stromüberschüssen aus erneuerbaren Energien per Elektrolyse produziert und zur späteren Rückverstromung in Power-to-Gas-Anlagen zwischengespeichert werden soll, eine wichtige Rolle.

Das Forschungsprojekt ECOFLEX-Turbo fokussiert darauf, die Flexibilität, Effizienz und Lebensdauer für neue und bestehende Anlagen zu steigern. Die eingesetzten Komponenten und Technologien müssen noch robuster werden, um einen bestmöglichen Wirkungsgrad bei langer Lebensdauer und gleichzeitig niedrigen Emissionen zu erreichen.

Dazu gehört, die Anlagen präzise zu überwachen. Beispielsweise über regelmäßige Aufnahmen des Ist-Zustands einzelner Bauteile, um die Restlebensdauer und Wartungsintervalle zu ermitteln. So entwickeln Projektteams Digital Twins, um den Betrieb vorausschauend zu überwachen (condition bases monitoring) und abweichende Betriebszustände online bewerten zu können. Dies wird teilweise durch digitale Verfahren, wie künstliche Intelligenz und Machine-Learning-Prozesse, unterstützt.

Verbrennungssysteme für höheren Wirkungsgrad und flexible Brennstoffe fit machen

Die Entwicklungsvorgaben für höhere Wirkungsgrade und Brennstoffflexibilität führen zu teilweise gegensätzlichen Anforderungen bei den Verbrennungssystemen. Beispielsweise lässt sich der Turbinenwirkungsgrad über eine höhere Turbineneintrittstemperatur erhöhen. Dadurch bilden sich aber vermehrt giftige Stickoxide, die gesundheitsschädlich sind und zu saurem Regen, Smog und Klimaerwärmung beitragen. Daher gelten weltweit sowohl für die Außenluft als auch für Abgase aus Verkehr und Kraftwerken Grenzwerte, die unbedingt einzuhalten sind. Maßnahmen, um den Wirkungsgrad bei geringen Stickoxidemissionen zu optimieren, können sich wiederum negativ auf die Verbrennungsstabilität auswirken und zu thermoakustischen Schwingungen führen. Dadurch reduziert sich die Lebensdauer aller Komponenten der Gasturbine. Gleichfalls führt der Einsatz flexibler Brennstoffe dazu, dass die effizienten und schadstoffarmen Verbrennungssysteme nicht mehr auf einen einzigen Brennstoff, sondern auf einen größeren Betriebsbereich optimiert werden müssen. Auch diese Verfahrensweise kann Emissionen erhöhen und/oder den Verbrennungsprozess destabilisieren.

Daher arbeiten Wissenschaftsteams des Verbundprojekts ECOFlex-Turbo an Verbrennungssystemen für die nächste Gasturbinengeneration, um ein Pareto-Optimum der konkurrierenden Anforderungen zu finden. Das ist ein Zustand, bei dem die Parameter der Turbinen zum Beispiel optimal für den Einsatz flexibler Brennstoffe mit einem variablen Anteil von Wasserstoff ausgelegt sind.

Thermoakustische Schwingungen verstehen und kontrollieren

Der kontinuierliche Verbrennungsprozess erzeugt Strömungsgeräusche, welche sich über Schwankungen des Luftdrucks mit der Flamme koppeln. Dieses Verhalten kann zu einer instabilen Verbrennung - die Flamme schwingt mit - führen, auch Thermoakustik genannt. Schwankungen treten in allen Frequenzbereichen auf. Erreichen diese hohe Amplituden, weil sie sich beispielsweise selbst verstärken oder mit Eigenmoden der Brennkammer oder anderer Bauteile koppeln, können Komponenten frühzeitig beschädigt werden und kostenintensive Schäden auftreten. Der Einsatz flexibler Brennstoffe kann thermoakustische Probleme auslösen, da sich je nach Wasserstoffanteil beispielsweise die Flammenposition und Flammenlänge ändert.

Hier setzt das Vorhaben ECOFLEX-Turbo an. Projektteams aus Industrie (MAN Energy Solutions, MTU Aero Engines, Siemens Energy und Rolls Royce Deutschland) und Forschungseinrichtungen (Technische Universität München, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) haben verschiedene Aspekte untersucht, um ein detaillierteres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse zwischen verschiedenen, sich ändernden Verbrennungsbedingungen und unterschiedlichen Brenner-Designs zu generieren. Dies beinhaltet beispielsweise den Einfluss kürzerer Verweilzeiten der Verbrennungsprodukte in der Brennkammer als auch die Stufung der Brennstoff-Luft-Eindüsung in die Brennkammer. Das bedeutet: In der Brennkammer befinden sich die Flammen an unterschiedlichen Positionen, die unabhängig voneinander gesteuert werden können, um so auf flexible Brennstoffe adäquat reagieren zu können.

Thermoakustische Stabilität bewerten

In einem weiteren Arbeitspaket haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Verfahren entwickelt, um in Brennkammern die Dämpfung akustischer Schwingungen zu berechnen. Dazu haben sie erstmalig einen Laborbrenner unter Hochdruck betrieben und variable, brennstoffgestufte Flammen mit unterschiedlichen Emissionswerten erzeugt und per Laser berührungslos vermessen. Die erzielten Messergebnisse dienen als Grundlage für Designtools, um Emissionen und Schwingungen vorherzusagen und so die Brennkammern zu verbessern.

Ferner haben die Wissenschaftsteams Verfahren entwickelt, um die thermoakustische Stabilität von Brennern zu bewerten. Diese sollen dazu beitragen, zukünftige Brennkammern für unterschiedliche Konditionen auszulegen. Dazu haben sie die Kammern hinsichtlich ihrer dämpfenden Eigenschaften erforscht und anschließend die neuen Methoden erfolgreich überprüft.
 

Die erzielten Ergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag, um den Einfluss von Gasen mit beigemischtem Wasserstoff auf die Thermoakustik moderner Gasturbinen-Verbrennungssysteme zu verstehen. Darauf basierend haben die Wissenschaftsteams bereits weitere AG Turbo-Teilprojekte mit Schwerpunkt „Wasserstoff“ gestartet, deren Ergebnisse Ende 2023 erwartet werden.

 Letzte Aktualisierung: 23.05.2023