Energiewandler Gasturbine
In einem vernetzten Energiesystem, in dem die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität ganzheitlich als komplexe Einheit betrachtet werden, müssen verschiedene Energiewandler eingesetzt werden. Mit Gasturbinen kann aus gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen effizient Strom gewonnen werden. Heute kommt in Gasturbinenkraftwerken fast durchweg Erdgas zum Einsatz. Zukünftig werden sie mit Brennstoffen aus erneuerbaren Quellen zunehmend klimaneutral betrieben. Aufgrund ihrer Leistungs- und Brennstoffflexibilität können Gasturbinen eine ausgleichende und ergänzende Rolle im Energiesystem übernehmen.
Die Forschungsarbeiten erfolgen im DLR-Institut für Verbrennungstechnik, dem DLR-Institut für Antriebstechnik und dem DLR-Institut für Werkstoff-Forschung.
Gesamtsystem Gasturbine
Die Gasturbine besteht aus den Hauptkomponenten Verdichter, Brennkammer und Turbine. Es muss für die Anforderungen, die sich aus dem flexiblen Betrieb im zukünftigen Energiesystem ergeben, zielgenau ausgelegt und optimiert werden. Für die Gasturbinenentwicklung sind Untersuchungen zum Strömungsfeld und zu den chemischen Reaktionen bei der Verbrennung sowie die darauf aufbauende Modellierung der Komponenten essenziell.
In atmosphärischen Prüfständen und Hochdruckprüfständen werden unter realitätsnahen Bedingungen detaillierte Messungen mit optischen und laserbasierten Verfahren an optisch zugänglichen Brennkammern durchgeführt. Aerodynamische Untersuchungen erfolgen in speziellen Verdichter- oder Turbinenprüfständen. Das DLR hat für die Modellierung umfangreiche numerische Simulationswerkzeuge entwickelt: die Strömungslöser THETA zur Simulation von Brennkammerströmungen, TRACE zur hochgenauen Berechnung vielstufiger Verdichter und Turbinen aller Bauarten sowie die automatisierten DLR-Designoptimierer AutoOpti und GTLab zur Gesamtsystemsimulation von Gasturbinen.
Bei der Entwicklung neuartiger Brennkammersysteme liegt der Fokus auf stationären Gasturbinen in Leistungsklassen von einem Kilowatt (elektrisch) bis einige hundert Megawatt (elektrisch). Neben den derzeit überwiegend eingesetzten Drallbrenner-Konzepten werden insbesondere neuartige FLOX®-Brennkammern untersucht, die eine große Brennstoff-Flexibilität, einen weiten Betriebsbereich und eine geringe Anfälligkeit für Thermoakustik aufweisen.
Emissionen
Die Minderung von Schadstoff-Emissionen ist ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung neuer Brennkammern für Gasturbinen und zukünftiger synthetischer Brennstoffe. Die relevanten Schadstoffe sind Stickoxide, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und, für flüssige Brennstoffe, zusätzlich Ruß.
Gleichzeitig sollen die Emissionen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid vermindert werden. Eine besondere Herausforderung liegt darin, schadstoffarme Verbrennungskonzepte zu entwickeln und gleichzeitig Last- und Brennstoff-Flexibilität, eine hohe Effizienz und den zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.
Zur Auslegung schadstoffarmer Verbrennungsabläufe ist eine Verbesserung der physikalisch-chemischen Modelle und ihre Einbindung in Berechnungscodes erforderlich. Grundlage für die Modellbildung sind reaktionskinetische Untersuchungen am Stoßwellenrohr und laserspektroskopische Messungen – sowohl an generischen Verbrennungssystemen als auch an Prüfständen zur Simulation technisch relevanter Flammenbedingungen.
Instationäre Verbrennungsvorgänge
Sogenannte instationäre Verbrennungsvorgänge wie Zündung (das umfasst Selbst- und Fremdzündung), Löschung und instabile Flammen sind in Gasturbinen-Brennkammern von zentraler Bedeutung. Diese meist unerwünschten Prozesse werden stark von der Interaktion zwischen Strömungsfeld und Verbrennungsreaktionen geprägt und stellen aufgrund ihrer hohen Dynamik eine große Herausforderung sowohl für die numerische als auch für die experimentelle Untersuchung dar.
Um die zeitlichen Abläufe instationärer Prozesse zu analysieren, werden Highspeed-Lasermessverfahren an generischen und realitätsnahen Brennkammern eingesetzt. Auch hier werden die Erkenntnisse in komplexe Verbrennungsmodelle integriert, um reale Systeme möglichst korrekt am Computer simulieren zu können.
Kraftwerkskonzepte auf Basis der Mikrogasturbine
Mikrogasturbinen mit elektrischen Leistungen von einem bis mehreren 100 Kilowatt finden Anwendung für dezentrale Strom- und Wärmeversorgung (Kraft-Wärme-Kopplung, kurz KWK) in Gebäuden, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen sowie in kleinen und mittleren industriellen Betrieben.
Kleine dezentrale KWK-Einheiten bieten gegenüber Großkraftwerken den Vorteil, dass – abgesehen von den Treibstoff-Lieferungen – durch die Energiegewinnung vor Ort keine großen Transport- und Umwandlungsverluste entstehen und dem Endverbraucher neben dem erzeugten Strom auch Wärme zur Verfügung gestellt werden kann. Der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten liegt in der Entwicklung und Auslegung von Kraftwerkskonzepten auf Basis von Mikrogasturbinen.