Gasturbinen für die Verbrennung bzw. Mitverbrennung von Wasserstoff

Abstract

Die Erdbevölkerung erlangte in den letzten Jahrhunderten eine zentrale Macht über die Umweltereignisse, sodass die Natur in diesem Konflikt mit heftigen Gegenreaktionen antwortete. Eine der größten globalen Einflussfaktoren ist zweifelsfrei die Luftverschmutzung, die mittlerweile zu irreversiblen Klimaänderungen führt. Daraus wird etwa die Artenvielfalt der Natur in jeder Hinsicht stark gefährdet, aber auch die Gesundheit der Menschen. Die technologischen Fortschritte ermöglichen dem Menschen heutzutage eine Interaktion mit der Natur, um eine nachhaltige Versorgung zu gewährleisten. Vor allem gilt dies für den konsistent steigenden Energiebedarf. Neben klimaneutralen Primärenergiequellen wie Wasser-, Wind- und Sonnenenergie, ist die Forschung von Wasserstoff insbesondere seit der Jahrtausendwende ein Kernthema geworden, womit die politisch gesetzten Klimaziele erreicht werden sollen. Gasturbinen decken weltweit einen maßgebenden Anteil des Energiebedarfs in industriellen und kommunalen Anwendungen ab. Fortgeschrittene Forschungen diverser Turbinenhersteller und Forschungsinstitute haben bereits bewiesen, dass der Betrieb mit hohem Wasserstoffanteil eine drastische Reduzierung der CO2-Emissionen bewirkt. Jedoch erlauben herkömmliche Gasturbinen nur sehr geringe Prozentsätze Wasserstoff im Brennstoffgemisch, da durch die stoffspezifischen Eigenschaften von Wasserstoff eine zuverlässige Anwendung nicht möglich ist. Eine der größten Gefahren besteht in der Bildung eines Flammenrückschlags, der zu enormen Schäden in der Turbinenhardware führen kann. Deswegen müssen Turbinen adaptiert, oder gar nachgerüstet werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. In dieser Arbeit wurde anhand einer ausführlichen Literaturrecherche das Potenzial einer wasserstoffbetriebenen Gasturbine bewertet. Einleitend wurde der Wasserstoff näher erläutert und seine Eigenschaften mit Erdgas verglichen. In weiterer Folge wurde der Betrieb einer Gasturbine mit Wasserstoff und die daraus resultierenden Hürden mit möglichen Lösungsansätzen geschildert. Zum Abschluss wurde anhand einer vereinfachten Kreisprozessrechnung mit unveränderten Parametern die Unterschiede in Bezug auf den eingesetzten Brennstoff verdeutlicht.

In recent centuries, the earth's population has gained central power over environmental events, so that nature has responded with fierce counter reactions to this conflict. One of the greatest global influencing factors is undoubtedly air pollution, which is now leading to irreversible climate change. As a result, the biodiversity of nature, for example, is severely endangered in every aspect, but so is human health. Today, technological advances enable humans to interact with nature to ensure a sustainable supply. Above all, this applies to the consistently rising demand for energy. In addition to climate-neutral primary energy sources such as hydro, wind and solar energy, research of hydrogen has become a key issue, especially since the turn of the millennium, with the aim of achieving the politically set climate targets. Gas turbines cover a significant amount of the energy demand in industrial and municipal applications worldwide. Advanced research by various turbine manufacturers and research institutes have already proven that operations with high hydrogen content results in drastic reduction of CO2-emissions. However, conventional gas turbines only allow very low percentages of hydrogen in the fuel mixture, as the substance-specific properties of hydrogen make it impossible to use reliably. One of the greatest dangers is the formation of a flashback, which can cause enormous damage to the turbine‘s hardware. Thus, turbines must be adapted, or even retrofitted to ensure safe operations. In this paper, the potential of a hydrogen-powered gas turbine was evaluated based on extensive literature research. First, hydrogen was explained in more detail and its properties were compared with natural gas. Subsequently, the operation of a gas turbine with hydrogen and the resulting difficulties with possible solutions were described. Finally, a simplified cycle calculation with unchanged parameters was used to illustrate the differences regarding the used fuel.