28.06.2024 – Neue Mikrogasturbinen ermöglichen den kombinierten Einsatz von Gas und Wasserstoff.
Die Nutzung von Wasserstoff (H2) – als klimafreundlicher Ersatz für fossile Energiequellen – stellt eine wesentliche Säule der Energiewende dar. Der wirtschafts- und klimapolitische Schwerpunkt liegt dabei auf Wasserstoff in der Mobilität und Wärmeversorgung. Mit Wasserstoff betriebene Mikrogasturbinen für die innovative Nahwärmeversorgung von Wohn- und Stadtquartieren, für Heizwärme in Gebäudekomplexen oder für die Prozesswärmeerzeugung in der mittelständischen Industrie können einen erheblichen Beitrag zur Wärmewende leisten. Da Mikrogasturbinen immer auch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind, wird den Nutzern zusätzlich Strom zur Verfügung gestellt. Bei Konzeption und Design der Mikrogasturbinen müssen jedoch technologische und sicherheitstechnische Hürden zu überwinden. Einen neuen Ansatz liefern Entwicklungen, die ein Gemisch Gas und Wasserstoff verbrennen können.
Herausforderungen
Beispiel eines Brennstoffmischsystems für den Betrieb einer Mikrogasturbine mit variablem Brenn-stoffmix. Foto: Power Service Consulting GmbH
Zum Hintergrund: Um Wasserstoff als klimafreundlichen Brennstoff in Gasturbinen, so auch in Mikrogasturbinen, einsetzen zu können, bedarf es eines auf die physikalischen und verbrennungstechnischen Eigenschaften von Wasserstoff optimiertes Brennkammersystems. In einem solchen H2-Brennkammersystem wird Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff in einer exothermen Reaktion umgesetzt, wobei nur Wasserdampf entsteht. Die größte Herausforderung in der Verbrennungsführung – und damit in der Gestaltung des Brennkammersystems – ist ein geringes Ausmaß an Stickoxidemissionen sicherzustellen, die aus dem in der Luft enthaltenen Stickstoff stammen.
Die Wasserstoffverbrennung erfordert zudem eine höchst präzise Abstimmung aus Verbrennungssystem und Brennstoffregelung, um eine stickoxidarme und stabile Reaktion zu erreichen. Erst das Gesamtsystem aus Brenner, Brennstoffregelung und Steuerungssystem macht dies möglich. Die Steuerungslogik der Turbinen muss entsprechend entwickelt und erprobt werden, Hard- und Software der Steuerung gilt es, anzupassen.
Material und Sicherheit
Brennstoffzufuhrsysteme für Erdgas haben sich jahrzehntelang bewährt und wurden immer wieder verfeinert. Im Vergleich dazu muss jedoch beim Einsatz von Wasserstoff ein besonderes Augenmerk auf die Werkstoffe und Ventileigenschaften gelegt werden.
Denn Wasserstoff stellt das kleinste Molekül im Periodensystem der Elemente dar. Wegen der damit verbundenen spezifischen Eigenschaften kommt der Materialauswahl in puncto Brennstoffzufuhr aber auch bei den Komponenten des Brenners selbst eine besondere Bedeutung zu. Rohrleitungs- und andere Ventil- und Gehäusematerialien, die bislang mit Erdgas oder Biogas laufen, müssen überprüft und womöglich ersetzt werden. Dabei sind teilweise kleinste Bauteile, wie z.B. Dichtungen, ausschlaggebend, welche auf die Materialverträglichkeit mit Wasserstoff hin überprüft werden müssen. Bei all dem sollte nicht zuletzt auch beachtet werden, dass Wasserstoff ein leicht entweichendes und hochentzündliches Gas ist. Daher müssen besondere sicherheitstechnische Einrichtungen zum Erkennen von Gaslecks entwickelt und eingesetzt werden, inklusive der damit verbundenen Steuerungsprozesse.
Typische Aufstellung einer Mikrogasturbinenanlage. Foto: Power Service Consulting GmbH
Entscheidend ist jedoch, und hiermit steht und fällt der Einsatz solcher Hochtechnologieturbinen: die Verfügbarkeit von Wasserstoff und die dazugehörige Logistik. Eine Wasserstoffinfrastruktur fehlt bislang völlig. Diese kommt in den einzelnen Regionen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ab 2030. Bis dahin benötigen Mikrogasturbinen die Möglichkeit, mit verschiedenen Brennstoffen zu arbeiten, die sogenannte Dual-Fuel-Fähigkeit. So lässt sich die mutmaßlich schwankende und oft noch gar nicht vorhandene Wasserstoff-Versorgung kompensieren.
Meilenstein
Ein weiterer Punkt: Gasturbinen müssen sich an Lastschwankungen anpassen können. Das Verbrennungssystem wird daher so konzipiert, dass diese Anforderungen flexibel und zuverlässig über einen weiten Bereich eingehalten werden können. In diesem Punkt wie auch hinsichtlich anderer Aspekte schreitet die technologische Entwicklung von Mikrogasturbinen – generell, aber auch in Verbindung mit Wasserstoff – stark voran. In enger Kooperation mit dem Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) und der PSC GmbH wurde ein jetstabilisiertes Brennkammersystem für Mikrogasturbinen entwickelt. Dieses System ist besonders geeignet für den Einsatz in der Kraft-Wärme-Kopplung, dezentralen Energiespeicher- und Versorgungsanlagen sowie in der industriellen Prozesswärmeerzeugung. „Es zeichnet sich durch seine hohe Flexibilität und niedrige Emissionswerte ohne eine zusätzliche Abgasreinigungsanlage oder Verbrennungsadditive aus“, so Martin Unverricht, Leiter für Mikrogasturbinen im Business Development bei Power Service Consulting (PSC).
Prozessschema einer Mikrogasturbine: Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, wird die komprimierte Luft des Turbinenverdichters vor dem Eintritt in die Brennkammer durch das heiße Turbi-nenabgas in einem Wärmetauscher („Rekuperator“) erwärmt. Grafik: Power Service Consulting GmbH
Das Brennkammersystem ermöglicht es, völlig unterschiedliche Brennstoffe wie Erdgas, Biogas, Synthesegas und Wasserstoff nahtlos und in variablen Mischungsverhältnissen zu nutzen. Dadurch können Betreiber von Mikrogasturbinen ihre Energieversorgung schrittweise und kosteneffizient auf erneuerbare Quellen umstellen. In diesem Zusammenhang repräsentiert der Wasserstoff-Brenner einen Paradigmenwechsel in der Energiebranche. Die Integration von H2-Brennkammersystemen in Gasturbinen ist ein komplexer technologischer Fortschritt, der die Tür zu einer nachhaltigeren Energieerzeugung öffnet. Die damit verbundenen technischen Innovationen tragen dazu bei, die Energiewende voranzutreiben und den Weg zu einer Energieerzeugung mit geringeren Umweltauswirkungen zu ebnen. (sg)