14. April 2022
Der Blick durchs Schlüsselloch

Neu­ar­ti­ge Mess­tech­nik macht Was­ser­stoff­ver­bren­nung mit Am­mo­ni­ak sicht­bar

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Sonde im eingebauten Zustand mit Blick auf die Brennerposition
Son­de im ein­ge­bau­ten Zu­stand mit Blick auf die Bren­ner­po­si­ti­on
Bild 1/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Sonde im eingebauten Zustand mit Blick auf die Brennerposition

Der Blick­win­kel dicht am Bren­ner er­mög­lich­te erst­ma­lig räum­li­che In­for­ma­tio­nen über die Flam­men­la­ge wäh­rend der ver­schie­de­nen Be­trieb­spha­sen.
Großansicht der optischen Sonde in der Brennkammerwand
Groß­an­sicht der op­ti­schen Son­de in der Brenn­kam­mer­wand
Bild 2/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Großansicht der optischen Sonde in der Brennkammerwand

Da die Was­ser­stoff­flam­me im Ge­gen­satz zur Erd­gas- be­zie­hungs­wei­se Ke­ros­in­flam­me farb­los ist, muss die Be­ob­ach­tung der Re­ak­ti­ons­zo­ne im ul­tra-vio­let­ten (UV) Spek­tral­be­reich statt­fin­den.
Einbau der Sonde am Brennkammer-Versuchsträger
Ein­bau der Son­de am Brenn­kam­mer-Ver­suchs­trä­ger
Bild 3/3, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Einbau der Sonde am Brennkammer-Versuchsträger

Nach zwei­jäh­ri­ger Ent­wick­lungs­zeit konn­te nun in Zu­sam­men­ar­beit mit dem In­dus­trie­part­ner Tho­mas­sen Ener­gy die ent­wi­ckel­te UV-Son­de erst­ma­lig in ei­ner rea­lis­ti­schen Te­stum­ge­bung am Hoch­druck-Brenn­kam­mer-Prüf­stand HBK-2 in Köln ein­ge­setzt wer­den.
  • DLR-Ingenieure entwickeln spezielle Messtechnik zur Erforschung der Wasserstoffverbrennung.
  • Brennkammerversuche mit Wasserstoff und Ammoniak.
  • Schwerpunkte: Future Fuels, energieeffiziente Luftfahrt, Energiewende, Wasserstoff, Kraftwerk, Gasturbine, Ammoniak

Damit Wasserstoff optimal als Ersatz für Erdgas und Kerosin genutzt werden kann, muss sein Verhalten bei der Verbrennung besser bekannt werden. Ingenieure des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben eine neue Messtechnik entwickelt und getestet, mit der man sozusagen durchs Schlüsselloch in die Brennkammer blicken kann.

Die Politik hat in ihren Klimazielen den Zeitrahmen für eine Umstellung des Energiesystems festgelegt. Die Wissenschaft arbeitet daran, die dafür notwendigen Technologien fristgerecht bereitzustellen. Die für eine sichere Anwendung der klimaneutralen Wasserstoff-Verbrennung notwendige Technologie-Entwicklung von Brennkammer-Komponenten in Energie und Luftfahrt benötigt dafür unterstützende Diagnostikmethoden. Insbesondere bei den extrem kostenintensiven Hochdruck-Brennkammer-Tests von realen Turbinen-Komponenten in Originalgröße fehlten bisher geeignete optische Messtechniken, um das Verhalten der Flamme bei der Verbrennung zu analysieren. An den Prüfständen ist der Beobachtungszugang im Gegensatz zu wissenschaftlichen Laboraufbauten stark eingeschränkt. Deshalb musste eine endoskopische Lösung gefunden werden.

Erstes Sondenbild der Wärmefreisetzung einer Wasserstoff-Flamme
Erstes Sondenbild der Wärmefreisetzung einer Wasserstoff-Flamme
Die Testergebnisse werden zur Optimierung der Wasserstoff-Verbrennung in stationären Gasturbinen genutzt.
Die Entwicklung der endoskopischen Sonde wurde von der Abteilung Triebwerksmesstechnik des DLR-Instituts für Antriebstechnik durchgeführt. Die Abteilung verfügt über langjährige Kompetenz in der hochpräzisen Messtechnik unter widrigen Bedingungen, wie beispielsweise hohen Drücken und hohen Temperaturen.

Um in der rauen Umgebung einer Brennkammer überleben zu können, wird die optische Sonde durch einen Kühlkörper geschützt, der in dem vom DLR-Technologietransfer unterstützten Projekt „Schlüsselloch“ selbst entwickelt wurde.

„Durch das UV-Endoskop können wir nun endlich die räumliche Wasserstoff-Flammenstrukturen beobachten und dem Industriepartner dadurch zusätzliche Informationen bereitstellen. Dadurch lässt sich der aufwändige Designprozess für die zukünftige Auslegung der Brennkammer-Komponenten beschleunigen“, sagt Projektleiter Dr. Guido Stockhausen.

Unsichtbare Flamme

Da die Wasserstoffflamme im Gegensatz zur Erdgas- beziehungsweise Kerosinflamme farblos ist, muss die Beobachtung der Reaktionszone im ultra-violetten (UV) Spektralbereich stattfinden. Dies ist eine besondere Herausforderung an die optischen Elemente des Endoskops. Nach zweijähriger Entwicklungszeit konnte nun in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Thomassen Energy die entwickelte UV-Sonde erstmalig in einer realistischen Testumgebung am Hochdruck-Brennkammer-Prüfstand HBK-2 in Köln eingesetzt werden.

Dabei wurden alle entwickelten Funktionen des Prototyps in der Heißgas- und Hochdruck-Umgebung ohne Schäden erfolgreich demonstriert. Der Blickwinkel dicht am Brenner ermöglichte erstmalig räumliche Informationen über die Flammenlage während der verschiedenen Betriebsphasen. Die Testergebnisse werden zur Optimierung der Wasserstoff-Verbrennung in stationären Gasturbinen genutzt.

Wasserstoff und Ammoniak

In einem weiteren Schritt wurde dem Wasserstoff auch Ammoniak aus einem für diesen Versuch eigens aufgebauten NH3-Lager zugemischt und dessen Einfluss auf die Verbrennung beobachtet. Ammoniak besteht aus Stickstoff- und Wasserstoffmolekülen, ist aber deutlich einfacher zu lagern und zu transportieren als reiner Wasserstoff. Ammoniak könnte zukünftig als Zwischenspeicher von durch erneuerbare Energien erzeugtem Strom beim Übergang zur Wasserstoff-Wirtschaft dienen.

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