Brennerentwicklung
Auch unter geänderten Rahmenbedingungen der Energiewende stellt die Verbrennung ein wichtiges Standbein der weltweiten und nationalen Energieerzeugung dar. Brennstoff- und Lastflexibilität bei gleichzeitig niedrigen Emissionen rücken dabei in den Vordergrund, Effizienzsteigerungen bleiben vor dem Hintergrund der weltweit hohen Durchsätze relevant.
Das Institut entwickelt innovative Verbrennungssysteme auf Basis jahrzehntelanger Erfahrung und unterstützt mit seinen Arbeiten industrielle Entwicklungsarbeiten bei Herstellern von Gasturbinen verschiedener Größenordnung. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Konzept der jetstabilisierten Brennersysteme (link zum Forschungsthema), das sich durch eine außergewöhnliche Brennstoffflexibilität und niedrige Emissionswerte auszeichnet. Dieses Konzept wird bereits in ersten Industrieanlagen und Gasturbinenanwendungen eingesetzt.
Jetstabilisierte Brennerkonzepte für Gasturbinenanwendungen werden am Institut seit etwa 20 Jahren untersucht, entwickelt und weiter optimiert. Das Institut hat diese Konzepte für Betriebsbedingungen in großen Gasturbinen und kleinen rekuperierten Gasturbinen in seinen Prüfständen getestet. Darüber hinaus hat das Institut Grundlagenforschung zur Flammenstabilisierung, zur Vermischung und zur Interaktion zwischen Einspritzdüsen für viele Brennstoffe, einschließlich Wasserstoff, bei atmosphärischen Bedingungen und unter Hochdruck durchgeführt. Mit diesen Experimenten konnte gezeigt werden, dass das Konzept der jetstabilisierten Verbrennung speziell mit Wasserstoff über einen weiten Parameterbereich emissionsarm und ohne das Risiko eines Flammenrückschlags betrieben werden kann. Weitere untersuchte Brennstoffe sind Erdgas, Methan-Wasserstoffgemische, Synthesegase sowie diverse Flüssigbrennstoffe, wobei letztere eine Herausforderung in Bezug auf die geringen Baugrößen darstellen. Die Entwicklungsarbeiten profitieren vom Einsatz optischer und laserbasierter Messtechnik zur Visualisierung des Verbrennungszustands sowie der Begleitung durch Verbrennungssimulation.
Neben richtungsweisenden und unterstützenden Arbeiten für Hersteller von großen Gasturbinen und Industriegasturbinen entwickelte und demonstrierte das Institut unter anderem erfolgreich die Anwendung des Systems für Mikrogasturbinen im Bereich von 3 kW bis 400 kW elektrischer Leistung. Im Jahr 2022 hat das Institut ausschließlich mit Hilfe von CFD- und FEA-Simulationen einen hochskalierten Prototyp für eine Brennstoff-Nennleistung von etwa 1000 kW entwickelt (F1000s). Dieses System kann Erdgas, Biogas, Synthesegas verwenden, um eine rekuperierte Gasturbine mit Brennkammereintrittstemperaturen von bis zu 700 °C und einem Druckverhältnis von etwa 5 zu betreiben. Für die Entwicklung von Brennkammern und ein besseres Verständnis von Verbrennungsprozessen hat das Institut seinen CFD-Code THETA (link) entwickelt, der eine detaillierte numerische Simulation komplexer Verbrennungssysteme unter Verwendung detaillierter chemischer Reaktionsmechanismen (link) ermöglicht, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind.
Abbildung 2 zeigt einen Prototyp der F1000s-Brennkammer. Das Design basiert auf der F400s-Brennkammer, die kürzlich erfolgreich mit 100 % Wasserstoff in einer Turbec T100 Gasturbine getestet wurde. Damit konnte das Institut nachweisen, dass ein Betrieb mit 100 % Wasserstoff in den selbst-entwickelten Brennern für Mikrogasturbinen möglich ist. Ein erster Langzeittest im Wasserstoff-Technikum am DLR-Standort Lampoldshausen läuft zurzeit.
Wir arbeiten nicht nur mit dem Konzept der jetstabilisierten Brennkammern, sondern unterstützen Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen mit Hochdrucktests mit optischer Diagnostik, CFD Simulation und Entwicklung verbrennungskinetischer Mechanismen auch bei der Entwicklung anderer Brennerkonzepte. Die Optimierung von Verbrennungsprozessen für den jeweils besten verfügbaren Brennstoff und die erforderliche Flexibilität der Anlagennutzung werden auf absehbare Zeit eine wichtige Aufgabe bleiben.