Mit einem jetstabilisierten Brenner lässt sich Wasserstoff kontrolliert und sicher verbrennen
Im Labor hat das DLR die neuartige Brennertechnologie mit offenen Wasserstofflammen für den Betrieb in Mikrogasturbinen erprobt. Der Wasserstoff strömt als sogenannte „Jets“ unter hohem Druck durch mehrere, kreisförmig angeordnete Düsen in die Brennkammer. Dies verhindert zuverlässig einen Flammenrückschlag in die Leitungen.
Shadowgraphy-Sofortbilder von der Injektion des Kraftstoffs bei atmosphärischem Druck (links) und bei hohem Druck (rechts). Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist bei beiden Bildern gleich.
Flüssige Energieträger aus regenerativen Quellen, die mit Hilfe erneuerbarer Energien hergestellt wurden, haben aufgrund ihrer hohen Energiedichten und der einfachen Speicher- und Transportmöglichkeiten eine große Bedeutung für das Energiesystem der Zukunft. Diese Brennstoffe werden zukünftig in Produktionsanlagen unterschiedlicher Größe und je nach Ausgangsrohstoff durch unterschiedliche Herstellungspfade erzeugt. Die Vielfalt an verfügbaren Kraftstoffen (das heißt deren physikalische und chemische Eigenschaften) ist allerdings eine Herausforderung an die Energieumwandlungssysteme der Zukunft. Im Projekt MikroliqFLOX arbeitet das DLR an einem lastflexiblen Brennersystem, mit dem Mikrogasturbinen von gasförmigen auf diese flüssigen Energieträger umgestellt werden können. Dafür wird sowohl ein neues Düsenkonzept als auch ein Virtual Injector entwickelt.
Mikrogasturbinen sind aufgrund ihrer hohen Brennstoffflexibilität und niedrigen Schadstoffwerte ideal für die Rückverstromung von erneuerbaren Brennstoffen sowie für die dezentrale Strom- und Wärmeversorgung geeignet. Zusätzlich kommen sie als Versorger in Zeiten hoher Fluktuationen der erneuerbaren Energien an zentralen und dezentralen Standorten zur Anwendung. Ein hohes Maß an Brennstoffflexibilität bei gleichzeitig geringen Emissionen lässt sich dabei nur mit neuartigen Brennertechnologien erreichen, wenn die Vorteile der Gasturbinen optimal genutzt werden sollen.
Im DLR-Institut für Verbrennungstechnik wird an der Umstellung von Gasturbinen auf neuartige Brennstoffe geforscht. Dafür stehen mehrere einzigartige Hochdruckprüfstände zur Verfügung. Das Projekt MikroliqFLOX greift die Forschungsarbeiten aus dem Bereich der Injektor- und Brennertechnologie auf, die im Institut entwickelt worden sind. Die Abkürzung FLOX steht dabei für flameless oxidation und wurde gewählt, weil bei der ursprünglichen Anwendung des Konzepts in Industriebrennern die Flammen kaum leuchteten. Das Konzept wurde in Kooperation mit Industrieunternehmen weiterentwickelt und für Gasturbinen aller Art optimiert.
Charakteristisch für das Konzept der jetstabilisierten Verbrennung ist das Einspritzen von Brennstoff-Luft-Gemischen in die Brennkammer mittels Düsen. Dies geschieht in Form von Jets mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Die Anordnung der Jets führt zu einem ausgeprägten Rezirkulationsgebiet in der Brennkammer. So werden Brennstoff, Luft und rezirkuliertes verbranntes Gas vor dem Einsetzen von Verbrennungsreaktionen intensiv gemischt. Damit werden lokale Temperaturspitzen und eine starke Stickoxidbildung in der Flamme vermieden. Brenner dieser Bauart zeichnen sich nicht nur durch geringe Schadstoffemissionen aus, sondern auch durch große Brennstoffflexibilität und hohe Stabilität. Diese Eigenschaften sind im Energiesystem der Zukunft gefragt.
Im Projekt MikroliqFLOX werden neuentwickelte Düsen-Konzepte durch Tests in den Hochdruckprüfständen als skalierte, kompakte Einzeldüsen weiter untersucht und optimiert. Dabei herrschen in den Prüfständen anwendungsähnliche Bedingungen. Anschließend wird ein Multidüsenbrenner im Zuge einer schrittweisen Skalierung entwickelt. Ziel ist es, den Technologiereifegrad eines brennstoff- und lastflexiblen FLOX-Brennersystems für flüssige Kraftstoffe in geometrisch kleinen Brennkammern deutlich zu verbessern.
Parallel wird ein virtueller Injektor entwickelt, unterstützt durch die in den Versuchen gewonnenen experimentellen Daten. Die parallele Entwicklung ermöglicht neue Methoden zur Vorhersage von Phänomenen wie etwa den Innenströmungen im Injektor, der Flammenrückwirkung oder den Phasenübergängen.
Mit dem neuartigen Einspritzkonzept sowie der Auslegung und Fertigung eines Multidüsenbrenners einerseits und dem Virtual Injector anderseits werden zwei Kerntechnologien entwickelt, an denen separat weiter geforscht werden kann. Die fortgeschrittenen experimentellen sowie numerischen Methoden für eine künftig KI-basierte Datenanalyse werden gezielt für künftige Drittmittelprojekte entwickelt. Das Projekt ermöglicht damit einen Technologietransfer auf mehreren Ebenen, von dem sowohl Forschung als auch Industrie profitieren.
Projekt MikroliqFLOX – Entwicklung von kompakten jetstabilisierten Gasturbinenbrennersystemen für flüssige Energieträger
