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Vorhersage und Kontrolle des Flammenrückschlags von Wasserstoffflammen, Teilvorhaben: Strömungssimulation und Sensitivitätsanalyse

Das Projekt flasHH untersucht den Einsatz von Wasserstoff (H2) als CO2-neutralen Brennstoff in modernen Verbrennungssystemen zur Reduktion der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. H2 kann aus erneuerbaren Quellen gewonnene Energie langfristig speichern, die Rückverstromung birgt jedoch erhebliche Sicherheitsrisiken wie Flammenrückschlag (engl. 'Flashback'). Dies gilt insbesondere für den Einsatz in emissionsarmen, vorgemischten Verbrennungssystemen, die in stationären Gasturbinen zur Stromerzeugung Stand der Technik sind. Die sichere und zuverlässige Nutzung von H2 erfordert ein tiefgehendes Verständnis der physikalischen Mechanismen, die zur Flammenstabilisierung und Rückschlagsvermeidung beitragen. Das Ziel des Projektes ist es validierte Methoden zur Vorhersage und Vermeidung des Flammenrückschlags zu entwickeln. Der Einfluss des konjugierten Wärmeübergangs im Wandmaterial soll dabei besondere Beachtung finden. Numerische Simulation, Experiment und datengetriebene bzw. ordnungsreduzierte Modellierungsansätze sollen in innovativer Weise integriert werden, um systematische und anwendungsrelevante Erkenntnisse zum Rückschlag von Strahl- und Drallflammen mit 100 % Wasserstoff zu gewinnen und Optimierungsstudien zu ermöglichen. Die Technische Universität Berlin (TUB) und die Technische Universität München (TUM) führen das Vorhaben in enger Zusammenarbeit und mit Ko-Finanzierung durch die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. (FVV) durch. Mitglieder der FVV, darunter Siemens Energy, stehen beratend zur Seite.

Optimierung des bestehenden Verbrennungssystems der Siemens Energy Gas Turbine 4000F für den sicheren Betrieb mit Wasserstoffanteil größer als 50%vol zur CO2-Emissionsreduktion

Die Siemens Energy SGT5/6-4000F Gasturbine ist mit über 350 weltweit betriebenen Anlagen - und damit der zweitgrößten Gasturbinen Flotte größer als 100MW überhaupt - ein wichtiges Produkt bei der gasbasierten Stromerzeugung. Ziel dieses Projektes ist es, den 4000F Brenner bis 2026 so weiterzuentwickeln, dass der Betrieb der Gasturbine mit Gasmischungen größer als 50% vol H2 ohne Leistungsabsenkung ermöglicht wird. Die Lösung soll vollständig kompatibel zur installierten 4000F Flotte auf Basis des bestehenden Verbrennungssystems sein, d.h. erforderliche Anpassungen dürfen nur geringfügige Modifikationen darstellen, um eine wirtschaftliche Umrüstung für die Betreiber zu ermöglichen. Der derzeitige Status bzgl. hoher H2-Anteile ( größer als 30%) ist mit TRL2 zu bewerten. Abschluss des Projekts soll ein Review gemäß des Produktentwicklungsprozesses sein, so dass eine vollständige Freigabe des Prototypen-Designs zur Maschinenimplementierung für die Erstanwendung erfolgt.

Optimierung des bestehenden Verbrennungssystems der Siemens Energy Gas Turbine 4000F für den sicheren Betrieb mit Wasserstoffanteil größer als 50%vol zur CO2-Emissionsreduktion, Teilvorhaben: Designoptimierung und Validierung von SGT5-4000F Brennern basierend auf Hochdruckverbrennungstests

Die Siemens Energy SGT5/6-4000F Gasturbine ist mit über 350 weltweit betriebenen Anlagen - und damit der zweitgrößten Gasturbinen Flotte größer als 100MW überhaupt - ein wichtiges Produkt bei der gasbasierten Stromerzeugung. Ziel dieses Projektes ist es, den 4000F Brenner bis 2026 so weiterzuentwickeln, dass der Betrieb der Gasturbine mit Gasmischungen größer als 50% vol H2 ohne Leistungsabsenkung ermöglicht wird. Die Lösung soll vollständig kompatibel zur installierten 4000F Flotte auf Basis des bestehenden Verbrennungssystems sein, d.h. erforderliche Anpassungen dürfen nur geringfügige Modifikationen darstellen, um eine wirtschaftliche Umrüstung für die Betreiber zu ermöglichen. Der derzeitige Status bzgl. hoher H2-Anteile ( größer als 30%) ist mit TRL2 zu bewerten. Abschluss des Projekts soll ein Review gemäß des Produktentwicklungsprozesses sein, so dass eine vollständige Freigabe des Prototypen-Designs zur Maschinenimplementierung für die Erstanwendung erfolgt.

Reaktionsschnelle Bereitstellung von Gasturbinen-Lösungen für die Energiewende mittels einer neuartigen, generativen KI-Designkette, Teilvorhaben: Generative Modelle für industrielle Komponenten am Beispiel von Turbinenschaufeln

Das Projekt zielt darauf ab, KI-Modelle für die Strukturmechanik von Gasturbinen zu entwickeln, um Entwicklungsprozesse und die Lebensdauerabschätzung von Bauteilen zu optimieren. Der Fokus liegt auf der Beschleunigung von Designzyklen durch die damit ermöglichten schnellen und präzisen Vorhersagen für strukturmechanische Kenngrößen wie Spannung, Dehnung und Verformung. Ferner ist das Ziel, neue Designs für Turbinenbauteile effizient zu generieren und damit die Innovationszyklen im Bereich industrieller Konstruktions- und Fertigungsprozesse zu verkürzen. Ein besonderer Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Modellierung des thermomechanischen und hochzyklischen Ermüdungsverhaltens von Turbinenschaufeln, einschließlich der Auswirkungen von Kriech- und Ermüdungseffekten. Traditionelle Methoden wie FEM sind zwar präzise, jedoch rechenintensiv und zeitaufwändig. Das geplante KI-Modell soll diese Berechnungen erheblich beschleunigen. Die Modelle, die in diesem Forschungsvorhaben angestrebt sind, lassen sich als Foundation-Modelle im Bereich der Strukturmechanik für Gasturbinen auffassen. Sie basieren auf umfangreichen Datensätzen und kombinieren Expertenwissen mit physikalischen Modellen. Solche Modelle können auf verschiedene Aufgaben angewendet werden, was sie im Vergleich zu bisherigen, spezialisierten Ansätzen flexibler, effizienter und robuster macht. Neben präzisen Vorhersagen ermöglichen sie auch den Transfer von gelerntem Wissen von einer Aufgabe auf eine andere. Dieser Prozess soll als Blaupause dienen, inwiefern man in spezifischen Bereichen der physikalischen Simulation von Bauteilen, datengetriebene, generative Modelle entwickeln kann, die anschließend dauerhaft im Designprozess eingesetzt werden.

Optimierung des bestehenden Verbrennungssystems der Siemens Energy Gas Turbine 4000F für den sicheren Betrieb mit Wasserstoffanteil größer als 50%vol zur CO2-Emissionsreduktion, Teilvorhaben: Laborversuche

Bei stationären Gasturbinen kann der Übergang zur CO2-freien Energie-Erzeugung in Schritten erfolgen. Dabei wird die Brennstoff-Zusammensetzung sukzessive von reinem Erdgas in Richtung Wasserstoff verschoben. Die Brenner in stationären Gasturbinen sind als besonders schadstoffarme Vormischbrenner stark auf die Verbrennungseigenschaften von Erdgas optimiert. Da sich die Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff und Erdgas stark unterscheiden, stellt die Zumischung von Wasserstoff zum Brennstoff hohe Anforderungen an die Brennstoff-Flexibilität der Vormischbrenner. Insbesondere wird sich mit zunehmendem Wasserstoffanteil die Lage der Wärmefreisetzungszone relativ zum Brenneraustritt ändern. Dieser Einfluss soll an einem skalierten, aber dennoch anwendungsorientierten Brenner, bei realistischen Betriebsbedingungen unter Einsatz laseroptischer Messverfahren charakterisiert werden.

Konzeptstudie zur Abwärmenutzung in einem Luftspeicher-Gasturbinenkraftwerk (LGT)

Die Einspeicherung von Druckluft in die Kavernen des LGT muss nahezu isotherm erfolgen. Die dabei anfallende Verdichtungswärme wird bisher in die Umgebung abgegeben. In der Studie werden Möglichkeiten untersucht und bewertet, diese und auch die Turbinenabwärme bei Turbinenbetrieb in Form von Dampf zu speichern. Mit dem gespeicherten Dampf wird beim Ausspeichern ein integrierter Gas-Dampf-Prozess realisiert, mit dem die gespeicherte Energie genutzt werden kann, was zu deutlichen Brennstoffeinsparungen führt.

Entwicklung eines Referenzkonzeptes für eine hocheffiziente Energieanlage auf Basis eines neuartigen, integrierten Gas-Dampf-Prozesses

Vorhabensziel ist die Entwicklung und Bewertung eines Referenzkonzeptes für eine hocheffiziente Energieanlage auf Basis eines integrierten Gas-Dampf-Prozesses. Der Prozess verfügt über eine hohe Wärmelastvariabilität und bietet die Möglichkeit zur Nutzung industrieller Abwärme. Zugleich ist er wirtschaftlicher gegenüber heutigen ausgeführten KWK-Anlagen. Der Prozess nutzt die Möglichkeit, Wasserdampf, der im Abhitzekessel erzeugt wird oder in einem externen Prozess anfällt, an geeigneten Stellen vor dem Turbineneintritt zu injizieren. Die Möglichkeit, zwischen Wärmeauskopplung und innerer Wiedereinspeisung zu wechseln, ist ein wesentlicher Vorteil des Prozesses. Prozessanalyse und -simulation sollen effektive Schaltungen und Variationsmöglichkeiten aufzeigen. Es werden für einzelne Komponenten technische Lösungen erarbeitet, wobei der Schwerpunkt auf der Gasturbine liegt. Die energiewirtschaftliche Bewertung vergleicht Konkurrenztechnologien und bewertet die ökonomische Einsatzfähigkeit. Die Ergebnisse sollen bei dezentralen und hybriden Energieanlagen umgesetzt werden. Zwischenschritte sind eine Versuchsanlage an der TUD (kleiner als 1 MW) und eine Demoanlage größerer Leistung.

Turbomaschinen für Hydrogen Technologien, Teilvorhaben: 3.3 und 4.4b Wasserverdunstung im Laufrad eines Radialverdichters und Untersuchung eines digitalen Zwillingmodells von Gasdichtungen

Das Forschungsvorhaben untersucht auf der einen Seite die Auswirkungen der Wassereinspritzung auf das Betriebsverhalten eines Radialverdichters. Die Wassereinspritzung in Axialverdichtern von Gasturbinen ist eine gängige Praxis, um die Leistungsfähigkeit der Turbine zu verbessern. Um dieses Potenzial auch in Radialverdichtern zu nutzen, sind weitere Forschungsarbeiten im Bereich der Flüssigkeitseinspritzung notwendig. Die Radialverdichter werden hauptsächlich in der Prozessindustrie eingesetzt. Ziel dieses Projektes ist es die Berechnung und Einflüsse der Wassereinspritzung auf das Betriebskennfeld eines Radialverdichters zu untersuchen. Im Projekt (FKZ: 03EE5035B) wurde ein Radialverdichter mit Wassereinspritzung aufgebaut und Kennfelder mit und ohne Wassereinspritzung vermessen. Unklar ist das Potenzial der Wassereinspritzung, welches durch den Ort der Verdunstung bestimmt wird, welches hier adressiert werden soll. Im zweiten Thema wird die Abdichtung der Wellenenden, die verhindert, dass das Prozessfluid aus der Maschine in die Atmosphäre entweicht. Die Forschung an berührungslosen Gleitringdichtungen mit Trockengasschmierung DGS (Dry Gas Seals), wird aufgrund des geringen und kontrollierbaren Leckagestroms, des berührungslosen Betriebs und der Eignung für die Hochdruckumgebung, als Dichtungslösung eingesetzt. Im Projekt (FKZ: 03EE5041H) wurden die Prognosemodelle zur Berechnung des Dichtspaltes entwickelt und in ein digitales Zwillingsmodell implementiert. Die gesamte Architektur des digitalen Zwillings basierend auf einer Open Source IoT-Plattform. Im neuen Projekt wird das Gesamtkonzept auf eine reale Maschine übertragen. Die messbaren und nicht messbaren Prozessgrößen der realen Anlage und ihre logischen Zusammenhänge werden mit Hilfe von maschinellem Lernen und physikbasierten Modellen analysiert. Die Ergebnisse werden zur Leistungsoptimierung von Radialverdichtern in der Prozessindustrie genutzt.

Reaktionsschnelle Bereitstellung von Gasturbinen-Lösungen für die Energiewende mittels einer neuartigen, generativen KI-Designkette, Teilvorhaben: Entwicklung und Bereitstellung eines generalisierten Materialmodells

Das Gesamtziel des Vorhabens besteht darin, fortschrittliche Methoden der künstlichen Intelligenz zusammenzuführen, zu adaptieren und einzusetzen, um ein Foundation-Modell für lebensdauerbestimmende, heißgasbeaufschlagte Komponenten von Gasturbinen zu erstellen, mit welchem künftig reaktionsschnell Designanpassungen bewertet und durchgeführt werden können. Um ein 'Foundation-Model' für Turbomaschinenanwendungen zu erstellen, ist die effiziente Bereitstellung und damit mögliche Integration des Wissens zum Werkstoff- und Lebensdauerverhalten der verbauten Komponenten ein wichtiges Puzzlestück. Das Institut für Werkstoffkunde (IfW) der TU Darmstadt kann diesbezüglich auf eine breite und international einzigartig umfangreiche Datenbasis an Langzeitversuchen im Hochtemperaturbereich zurückgreifen. Diese stehen innerhalb der Datenbank 'LAMBDA', welche vom IfW selbst betrieben wird, zur Verfügung. Darüber hinaus stehen verschiedene Materialmodelle als Subroutine für Berechnungsprogramme zur Verfügung. Diese sind sowohl mit stark vereinfachten Modellansätzen umgesetzt, um möglichst schnell und robust Berechnungsergebnisse ableiten zu können. Zusätzlich dazu sind ebenfalls Ansätze sog. höherwertiger, viskoplastischer Materialmodelle verfügbar und bilden damit die Grundlage zur Formulierung des Hauptziels der Arbeiten der TU Darmstadt: Erarbeitung eines generalisierten Werkstoffmodells, welches die Beanspruchung in Form von Deformation und Schädigung für relevante Werkstoffe und flexible Last- und Umgebungsbedingungen echtzeitnah wiedergeben kann.

Ammoniak Cracking: Ammoniak als Wasserstoffträger für den interkontinentalen Transport, Ammoniak Cracking: Ammoniak als Wasserstoffträger für den interkontinentalen Transport

Auf dem Weg zur Dekarbonisierung der deutschen Wirtschaft ist die Verfügbarkeit großer Mengen 'grünen' Wasserstoffs von entscheidender Bedeutung. Bis 2030 erwartet die Bundesregierung einen nationalen Wasserstoffbedarf von rund 90 bis 110 TWh. Der zusätzliche Verbrauch wird im Industriesektor (z.B. Stahlproduktion) und im Mobilitätsbereich mit Brennstoffzellen (z.B. Busse, Flugzeuge) benötigt. Da die nationale Produktion an grünen Wasserstoff in Deutschland jedoch für die nationalen Dekarbonisierungsziele nicht ausreicht, setzt die Bundesregierung auf umfangreiche Importe aus Regionen mit günstigen erneuerbaren Energien. Für einen energieeffizienten Wasserstofftransport ist die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak, das eine hohe Wasserstoffdichte aufweist, sinnvoll. Die Rückgewinnung des Wasserstoffs aus Ammoniak erfolgt am Zielort über das sogenannte Ammoniak Cracking. Stand der Technik ist, dass die Ammoniakspaltung industriell bisher nur für kleine Nischenanwendungen, mit nur geringen Wasserstoffströmen (typische Größe: 1 - 2 t pro Tag) angewendet wird. Vor dem Hintergrund der nationalen Klimaschutzziele, der angestrebten Reduktion der CO2-Emissionen und der angespannten Versorgungslage mit Energierohstoffen, strebt das Forschungsprojekt HyPAC eine Transformation der deutschen Wirtschaft auf Wasserstoff-Basis an. Im Rahmen von HyPAC soll ein neues Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Ammoniak, entwickelt und erstmalig in einer Miniplant demonstriert werden. Linde strebt einen industriellen, leicht skalierbaren und energieeffizienten Ammoniak Cracking Prozess an, um im großen Maßstab Wasserstoff (~ 500 t pro Tag) in hoher Reinheit und zu attraktiven Preispfaden zentral zu erzeugen und für große industrielle Abnehmer, wie chemische Industrie, Wasserstoff-Pipeline-Netz oder Gasturbinen, bereitzustellen. Bei Projekterfolg kann das Verfahren einen großen Beitrag zur signifikanten Reduktion der CO2-Emissionen aus Stromerzeugung, Verkehr und Industrie, leisten.

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