09. 10. 2023
Verfasst von: Agnes Eberhard

Gasturbinenkraftwerke – Strom aus grünem Wasserstoff

Eine Person mit Atemschutz kniet vor der zylinderförmigen Brennkammer und beobachtet ein Messgerät. — Wie wirken sich das Mischverhältnis des Brennstoffs und andere Parameter auf die Flamme aus? Ein Mitarbeiter des Instituts misst Emissionen an der Versuchsbrennkammer.

Eine Möglichkeit zur Energiespeicherung ist die Herstellung von grünem Wasserstoff. Dieser kann in Gasturbinenkraftwerken CO2-neutral wieder in Strom verwandelt werden, wobei jedoch schädliche Stickoxide entstehen. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Clausthal untersucht und simuliert Mischflammen aus Wasserstoff und Erdgas, um Stickoxid-Emissionen zu verringern und so den umweltfreundlichen Umstieg von Erdgas- auf Wasserstoffverbrennung zu ermöglichen.

Verbrennung optimieren, Stickoxide reduzieren

Aufgrund der Wetterverhältnisse schwankt die Verfügbarkeit von erneuerbarer Energie stark. Deshalb müssen Speicher ins Energiesystem integriert werden, um Schwankungen im Netz auszugleichen und die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Wasserstoff als Speichermedium kann in Zeiten mit wenig verfügbarem grünem Strom rückverstromt werden, zum Beispiel durch die CO₂-neutrale Verbrennung in Gasturbinenkraftwerken. Diese haben gegenüber anderen Technologien wie Brennstoffzellen den Vorteil, dass sie brennstoff-flexibel betrieben werden können, also mit unterschiedlichen Mischungen von Erdgas, Wasserstoff und auch Biogas. Bei der Verbrennung von Wasserstoff anstelle von Erdgas treten allerdings andere Herausforderungen auf.

Wärmebild einer Erdgas- und einer Wasserstoffflamme. Wasserstoff erreicht Temperaturen von mehr als 2000 Grad. — Wasserstoff erzeugt bei der Verbrennung deutlich höhere Temperaturen als Erdgas, dabei entstehen mehr Stickoxide. Numerische Simulationen sollen dabei helfen, den Brennprozess zu optimieren und die Emissionen zu senken.

Mischverhältnis der Brenngase anpassen

Unter anderem sind Wasserstoffflammen deutlich heißer als Erdgasflammen, weshalb durch Oxidation des Stickstoffs in der Brennluft mehr Stickoxide (NO_x) entstehen. Diese sind gesundheits- und umweltschädlich und müssen möglichst geringgehalten werden. Deshalb untersucht das Team am Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstofftechnik der TU Clausthal die Verbrennungsvorgänge experimentell und numerisch. An einer Brennkammer im Institut werden Flammen mit verschiedenen Mischverhältnissen von Erdgas und Wasserstoff vermessen. Ziel ist es herauszufinden, wie sich das Mischverhältnis und andere Parameter (Drall in der Brennluft, Luftverhältnis) auf die Flamme auswirken. Besonderer Fokus liegt darauf, Stickoxid-Emissionen zu vermindern.

Im Diagramm steigt die Emissionskurve über den Grenzwert von Gasturbinen. — Bei einem Wasserstoffanteil am Brennstoff von mehr als 80 Prozent steigen die Emissionen von Stickoxiden (NOx) stark an. Forschende arbeiten daran, die schädlichen Abgase zu reduzieren.

Numerische Simulation von Flamme und Brennkammer

Basierend auf den Experimenten führen die Forschenden numerische Simulationen der Flammen durch und überprüfen, welche Simulationen am besten zu den Messergebnissen passen. Ziel ist es, die numerischen Methoden zu finden, mit denen sie die Eigenschaften der Flammen sicher voraussagen können. Diese Simulationsmethoden lassen sich dann auch für Brennkammern in Gasturbinenkraftwerken nutzen und helfen dabei, den Umstieg von Erdgas- auf Wasserstoffverbrennung zu ermöglichen.