Diversifizierung des Energiesystems durch Wasserstoff, Wärmepumpen und Energiespeicher – Turbomaschinen
Verbundprojekt DiWaTurb
Diversifizierung des Energiesystems durch Wasserstoff, Wärmepumpen und Energiespeicher – Turbomaschinen
Die Transformation hin zu einer klimaneutralen und dekarbonisierten Wirtschaft stellt hohe Anforderungen an unser Energiesystem. Strom gewinnt als Energieträger in den aktuellen Szenarien weiter an Bedeutung, auch durch zusätzliche Anwendungsbereiche wie Mobilität, Rechenzentren / Digitalisierung und Wärmeversorgung.
Zentrale Herausforderungen der Energiewende sind der weitere Ausbau des Anteils erneuerbarer Energien und die dafür erforderlichen Transportnetze, die hocheffiziente Nutzung der Energie und die deutliche Senkung des energiebedingten Kohlendioxidausstoßes. Hierbei sind die Versorgungssicherheit und international wettbewerbsfähige Kostenstrukturen der Energieversorgung zu gewährleisten.
Turbomaschinen spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie sind wesentliche Komponenten in der Energieerzeugung, in Energiespeichern, Wärmepumpen und industriellen Prozessen sowie in der zukünftigen Wasserstoffinfrastruktur. Gleichzeitig verändern sich ihre Einsatzbedingungen: Alternative Brennstoffe und Arbeitsmedien wie Wasserstoff und CO₂ sowie zunehmend flexible Betriebsweisen stellen neue Anforderungen an die Auslegung und den Betrieb von Turbomaschinen.
Forschung für ein zukünftiges Energiesystem
Das Verbundvorhaben entwickelt innovative Turbokomponenten, um einen Beitrag zu einem effizienten, flexiblen, resilienten und klimaneutralen Energiesystem zu leisten. Die Arbeiten zielen auf die Steigerung der Effizienz von Turbomaschinen, die Verbesserung von Betriebs- und Brennstoffflexibilität sowie die Erhöhung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit ab. Besonderes Augenmerk liegt auf der Entwicklung von Turbokomponenten für Wasserstoff- und CO₂-Anwendungen sowie auf der Weiterentwicklung von Technologien für die Wasserstoffinfrastruktur und die Rückverstromung von Wasserstoff in Gasturbinen.
Die Forschungsarbeiten im Verbundvorhaben DiWaTurb konzentrieren sich auf zentrale technologische Herausforderungen der Energiewende. Die Arbeitspakete decken dabei ein breites Spektrum ab – von hocheffizienten Turbomaschinen für Energie- und Wärmeanwendungen über die Wasserstoffinfrastruktur bis hin zur flexiblen Rückverstromung von Wasserstoff.
AP 1 – Strom- und Wärmewende
Für eine sichere und bezahlbare Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien sind hocheffiziente Technologien und geeignete Speicherlösungen erforderlich. Dieses Arbeitspaket untersucht die Anwendung von Expansionstechnologien in Energiespeichern und Möglichkeiten zur weiteren Steigerung der Turbineneffizienz.
Ein Schwerpunkt ist die Optimierung von Verdichterkomponenten für industrielle Wärmepumpen, um die Effizienz der eingesetzten Turbomaschinen zu verbessern und eine klimaneutrale Wärmeversorgung zu ermöglichen.
AP 2 – Energiesystem: Gesamteffizienz und Nachhaltigkeit
Ein zukünftiges Energiesystem muss effizient, flexibel und an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbar sein. Das Arbeitspaket widmet sich daher grundlegenden technologischen Fragestellungen für einen flexiblen Betrieb von Turbomaschinen unter anspruchsvollen thermodynamischen Bedingungen.
Ein Schwerpunkt sind neuartige Gitterstrukturen, die additiv gefertigt werden können und die dynamischen Eigenschaften von Turbomaschinen verbessern. Weiterhin wird das Verhalten von Kompressorstufen nahe dem kritischen Punkt verdichteter Medien untersucht sowie additiv gefertigte Leichtbaulaufräder für Kompressoren betrachtet.
AP 3 – Wasserstoff: Resiliente Infrastruktur
Für den Aufbau einer leistungsfähigen Wasserstoffwirtschaft sind zuverlässige Technologien für Verdichtung und Transport von Wasserstoff erforderlich, insbesondere im Pipelinetransport, der hohe Anforderungen an die eingesetzten Turbomaschinen stellt.
Das Arbeitspaket konzentriert sich auf die Entwicklung und Weiterentwicklung von Lagertechnologien für hohe Drehzahlen, wie sie in zukünftigen Wasserstoffverdichtern benötigt werden. Die Ergebnisse schaffen wichtige Grundlagen für leistungsfähige und zuverlässige Verdichtertechnologien in der Wasserstoffinfrastruktur.
AP 4 – Wasserstoff: Effiziente und flexible Rückverstromung
Wasserstoffgefeuerte Kraftwerke können eine wichtige Rolle für Stabilität und Versorgungssicherheit des Energiesystems übernehmen, indem sie erneuerbar erzeugten Wasserstoff bei Bedarf in elektrische Energie umwandeln und Schwankungen der Erneuerbaren-Erzeugung ausgleichen.
Die direkte Nutzung von Wasserstoff in Gasturbinen stellt jedoch besondere Anforderungen an Verbrennungssysteme, Turbinenkomponenten und deren Kühlung. Das Arbeitspaket erforscht die effiziente, flexible und emissionsarme Rückverstromung von Wasserstoff und umfasst dabei Wasserstoffverbrennung inkl. Verbrennungssysteme und Brennkammern, numerische Methoden zur Optimierung von Turbinenschaufeln für flexible Betriebsweisen, sowie die Verbesserung der Kühlung hochbelasteter Gasturbinenkomponenten
Ziel ist die Weiterentwicklung von Gasturbinen für einen sicheren, effizienten und flexiblen Betrieb mit Wasserstoff.
AP 5 – Missionsübergreifend: Beschleunigung der Energiewende
Zur Beschleunigung der Entwicklung innovativer Turbomaschinen widmet sich das Arbeitspaket der Weiterentwicklung zentraler Simulations- und Auslegungsverfahren. Verschiedene numerische Methoden und Simulationsansätze werden untersucht und verbessert, um Entwicklungsprozesse effizienter zu gestalten und die Auslegung zukünftiger Turbomaschinen zu optimieren.
Die Ergebnisse schaffen Grundlagen für einen schnelleren Transfer von Forschungsergebnissen in die industrielle Anwendung und unterstützen damit die Energiewende in Deutschland.
Laufzeit
01.10.2026-30.09.2029
Förderung
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE)
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DLR-Institut für Antriebstechnik |
Everllence SE |
Forschungszentrum Jülich, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2) |
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) |
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) |
Leibniz Universität Hannover, Institut für Dynamik u. Schwingungen (IDS) |
Leibniz Universität Hannover, Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) |
Leibniz Universität Hannover, Lehrstuhl für Reaktive Strömungen (RF) |
MTU Aero Engines AG |
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG |
Rolls-Royce Solutions GmbH |
Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl Thermische Turbomaschinen und Flugtriebwerke |
RWTH Aachen, Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen (IKDG) |
RWTH Aachen, Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen (IST) |
Siemens Energy Global GmbH & Co KG |
Technische Universität Berlin, Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) |
Technische Universität Clausthal, Institut für Tribologie und Energiewandlungsmaschinen (ITR) |
Technische Universität Darmstadt, Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) |
Technische Universität Darmstadt, Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme (STFS) |
Technische Universität Darmstadt, Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) |
Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Cyber-Physische Simulation (CPS) |
Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für Strömungsmaschinen |
Universität Kassel, Lehrstuhl für Technische Dynamik |
Universität Stuttgart, Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR) |
