Wasserstoff gilt in der Energiewelt als Hoffnungsträger. Wird er mit Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind hergestellt, lässt er sich nahezu klimaneutral nutzen, speichern und bei Bedarf wieder in Strom oder Wärme umwandeln. Das macht ihn besonders wertvoll für ein Energiesystem, das zunehmend von schwankender Produktion erneuerbarer Energien geprägt ist. Aus diesem Grund ist Wasserstoff auch für Gasturbinen interessant. Sie spielen in Kraftwerken, Stromnetzen und industriellen Produktionsanlagen eine zentrale Rolle, weil sie innert kürzester Zeit auf Lastschwankungen reagieren können.
Bis heute werden Gasturbinen jedoch vorwiegend mit Erdgas betrieben und verursachen dadurch CO₂-Emissionen. Naheliegend ist deshalb, Erdgas durch Wasserstoff zu ersetzen. Das ist allerdings anspruchsvoller, als es auf den ersten Blick tönt. Denn Wasserstoff verhält sich in der Verbrennung anders als Erdgas. «Er ist deutlich reaktiver und viel schwieriger zu kontrollieren», sagt Mirko Bothien vom Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) der ZHAW. Zusammen mit seinem Team arbeitet er daran, dass Wasserstoff künftig die Rolle von Erdgas in Gasturbinen übernehmen kann.
Hohe Temperaturen, Stickoxide, Flashbacks
Der entscheidende Unterschied liegt in den physikalischen Eigenschaften. «Wasserstoff ist das kleinste Molekül und diffundiert deshalb sehr schnell», erklärt Bothien. Während Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, gleich schnell wie Wärme diffundiert und damit gleichmässig in der Reaktionszone vorhanden ist, verteilt sich Wasserstoff deutlich schneller und ungleichmässiger. Dadurch entstehen in der Flamme lokale Unterschiede: an manchen Stellen sammelt sich mehr Brennstoff an, an anderen weniger. Bothien spricht von einem «selbstverstärkenden Mechanismus», in der Fachsprache thermodiffusive Instabilität genannt.
Die Folgen zeigen sich in der Verbrennung. Es bilden sich lokale Hotspots, also Bereiche mit hohen Temperaturen. Dort entsteht ein weiteres Problem: Stickoxide. «Obwohl Wasserstoff selbst kein CO₂ freisetzt, kann die Verbrennung gesundheitsschädliche NOx-Emissionen verursachen, wenn sie nicht präzise kontrolliert wird», sagt er. Hinzu kommt, dass Wasserstoff deutlich schneller brennt als Erdgas, zum Teil bis zu zehn Mal schneller. Das erhöht das Risiko eines Flammenrückschlags. «In solchen Momenten kann sich die Flamme bis in den Brenner zurückfressen.» Dieser sogenannte Flashback zählt zu den grössten Risiken und es kann zu Schäden an Bauteilen kommen.
Mirko Bothien
Dr.-Ing, Schwerpunktleitung Erneuerbare Energien, ZHAW
«Obwohl Wasserstoff selbst kein CO₂ freisetzt, kann die Verbrennung gesundheitsschädliche NOx-Emissionen verursachen, wenn sie nicht präzise kontrolliert wird.»
Zusammenspiel von Flamme und Schallwellen
Beeinflusst wird die Verbrennung zudem durch ein Phänomen, das ausserhalb der Fachwelt kaum bekannt ist: die sogenannte Thermoakustik. Sie beschreibt das Zusammenspiel zwischen Flamme und Schallwellen und gehört zu den Forschungsschwerpunkten von Bothiens Team. «Damit sich Brennstoff und Luft gut vermischen, wird eine turbulente Strömung benötigt», so der Experte. Die Flamme bleibt dadurch ständig in Bewegung und erzeugt kleine Druckwellen. «Das ist nicht wie bei einer Kerzenflamme, die ruhig und praktisch ohne Geräusche brennt.» Die Schallwellen breiten sich im Brennraum aus und treffen auf die Wände. Sie werden reflektiert und gelangen zurück zur Flamme. Verstärken sich diese Schwingungen gegenseitig, baut sich innert kurzer Zeit viel akustische Energie auf. Im Extremfall kann es zu Vibrationen kommen, die so stark werden, dass Bauteile beschädigt werden. «Im Gegensatz zu Erdgas ist dieser Mechanismus bei Wasserstoff stark druckabhängig und daher deutlich schwieriger zu prognostizieren.»
Um das Zusammenspiel besser zu verstehen, untersucht das Team im Labor Wasserstoffflammen unter atmosphärischen Bedingungen. Auf Basis dieser Messungen entwickeln die Forschenden Modelle, mit denen sich das Verhalten unter realen Betriebsbedingungen vorhersagen lässt. Die Erkenntnisse fliessen direkt in die technologische Entwicklung ein. Diese Arbeiten basieren auf einer einzigartigen experimentellen Infrastruktur für unterschiedliche Brennersysteme, auf numerischen Simulationen und analytischen Modellen. Ziel ist es, Gasturbinen mit Wasserstoffanteilen von null bis hundert Prozent zu ermöglichen, ohne dass die Stickoxidwerte in kritische Bereiche steigen. Die Verbrennung sollte dabei trotzdem stabil bleiben.
Mirko Bothien, Leiter Schwerpunkt Erneuerbare Energien an der School of Engineering
Nahe an der Praxis forschen
Ein wichtiger Punkt ist die Nachrüstbarkeit: Die Technologien sind nicht nur für neue Anlagen gedacht, sondern sollen auch in bestehenden Gasturbinen eingesetzt werden können. Dazu laufen parallel mehrere Projekte mit verschiedenen Industriepartnern. Viele dieser Projekte sind Teil von Horizon Europe und stehen im Zusammenhang mit dem EU Green Deal. Beim HyPowerGT-Projekt beispielsweise wird eine Brennertechnologie für eine 16-Megawatt-Gasturbine entwickelt und unter realen Betriebsbedingungen getestet. Das Projekt InsigH2t vereint renommierte europäische Forschungsinstitutionen und zielt auf das grundlegende Verständnis der Druckabhängigkeit von Wasserstoff ab. Im Projekt H2FHYFLEXGT, das vom Hightech Zentrum Aargau gefördert wird, werden Laborergebnisse in ein modulares Brennersystem übertragen, das sich mithilfe von 3D-Druck an unterschiedliche Turbinenklassen anpassen lässt.
Die Forschung bleibt bewusst nah an der Praxis. «Unsere Aufgabe ist nicht, eine Technologie allein zu entwickeln», betont Bothien. «Wir arbeiten gemeinsam mit Industriepartnern aus der Schweiz und dem Ausland, um gemeinsam praktikable Lösungen zu finden.» Der Anspruch ist klar: Wasserstoff so beherrschbar zu machen, dass er in Gasturbinen künftig sicher, effizient und möglichst emissionsarm eingesetzt werden kann und damit zu einem tragenden Baustein eines CO₂-freien Energiesystems wird.
