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  • Der Coflame%2dBrenner ermöglicht systematische Untersuchungen zur schadstoffarmen Verbrennung
    Der Coflame-Brenner ermöglicht systematische Untersuchungen zur schadstoffarmen Verbrennung

    Der Coflame-Brenner ermöglicht systematische Untersuchungen zur schadstoffarmen Verbrennung.

In einem vernetzten Energiesystem, in dem die Sektoren Strom, Wärme und Verkehr gekoppelt sind, müssen verschiedene Energiewandler eingesetzt werden. Mit Gasturbinen kann aus gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen hocheffizient 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 in einem Energiesystem übernehmen, das zunehmend auf fluktuierenden erneuerbaren Quellen basiert. Durch Brennstoffzellen kann Wasserstoff bedarfsgerecht und mit hohem Wirkungsgrad zur Strom- und Wärmegewinnung eingesetzt werden. Zur Gewinnung von Wasserstoff werden sowohl die Elektrolyse weiterentwickelt als auch verschiedene solare Hochtemperaturverfahren untersucht.

Die Arbeiten erfolgen im DLR-Institut für Verbrennungstechnik, dem DLR-Institut für Antriebstechnik, dem DLR-Institut für Werkstoff-Forschung und dem DLR-Institut für Technische Thermodynamik.

Gasturbinen

Das Gesamtsystem 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, zu den bei der Verbrennung auftretenden chemischen Reaktionen und 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 stationären und instationären Berechnung vielstufiger Verdichter und Turbinen aller Bauarten, den automatisierten DLR-Designoptimierer AutoOpti und GTLab zur Gesamtsystemsimulation von Gasturbinen.

Bei der Entwicklung neuartiger Brennkammersysteme liegt der Fokus auf stationären Gasturbinen in Leistungsklassen von 1 kWel bis einige hundert MWel. Neben den derzeit am häufigsten eingesetzten Drallbrenner-Konzepten werden insbesondere neuartige FLOX®-Brennkammern untersucht, die eine große Brennstoffflexibilität, einen weiten Betriebsbereich und eine geringe Anfälligkeit für Thermoakustik aufweisen.

Emissionen

Die Minderung von Schadstoffemissionen ist ein wesentlicher Treiber bei der Entwicklung neuer Brennkammern für Gasturbinen und der Gestaltung zukünftiger synthetischer Brennstoffe. Die relevanten Schadstoffe sind Stickoxide, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und für flüssige Brennstoffe zusätzlich Ruß. Gleichzeitig sollen die Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid vermindert werden. Eine besondere Herausforderung liegt darin, schadstoffarme Verbrennungskonzepte zu entwickeln und gleichzeitig Last- und Brennstoffflexibilität, Effizienzsteigerung und 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

Instationäre Verbrennungsvorgänge wie Zündung (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 simulieren zu können.

Kraftwerkskonzepte auf Basis der Mikrogasturbine

Mikrogasturbinen mit elektrischen Leistungen von 1 kW bis mehreren 100 kW finden Anwendung für dezentrale Strom- und Wärmeversorgung (Kraft-Wärme-Kopplung, 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 Treibstofflieferungen durch die Energieerzeugung 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. Hierbei werden konventionelle Systeme ebenso wie innovative Konzepte betrachtet, wie beispielsweise die Kopplung einer Mikrogasturbine mit einer SOFC-Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen und Elektrolyse

Aufgrund der engen technischen Verwandtschaft setzen wir unsere umfassenden elektrochemischen Kompetenzen zur Weiterentwicklung von Brennstoffzellen (PEFC und SOFC) und Elektrolyseuren ein. Für beide Komponenten gilt, effiziente, robuste und kostengünstige Lösungen für die Praxis zu entwickeln. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die in-situ-Diagnosetechniken, um im Betrieb Schwachstellen erkennen zu können, sowie die Beschichtungstechnik, mit deren Hilfe hoch wirksame Reaktionsflächen entwickelt werden. Die Arbeiten zu Brennstoffzellen umfassen insbesondere auch die Einbindung in stationäre Systeme sowie in mobile Systeme für Kraftfahrzeuge und Flugzeuge.

Zuletzt geändert am:
24.01.2018 13:34:48 Uhr