SI/502651

Schlussbericht

Die Dekarbonisierung des Energiesektors erfordert zuverlässige und flexible Stromerzeugungstechnologien, die mit kohlenstofffreien Brennstoffen betrieben werden können. Wasserstoff ist ein besonders vielversprechender kohlenstofffreier und erneuerbarer Brennstoff, der die saisonale Speicherung überschüssiger erneuerbarer Elektrizität und deren bedarfsgerechte Rückverstromung über Gasturbinen ermöglicht. Die Verbrennung von reinem Wasserstoff in Gasturbinen bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich, darunter erhöhte NO?-Emissionen, hohe Reaktivität und daraus resultierende thermoakustische Instabilitäten. Die Architektur der sequentiellen Verbrennung bei konstantem Druck ist gut geeignet, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Sie verbrennt zwei magere Flammen nacheinander im selben Brenner: Die erste wird durch die Strömung stabilisiert, während die zweite aufgrund der hohen Gastemperaturen, die von der ersten Flamme bereitgestellt werden, selbst zündet. Zwischen den beiden Stufen zugeführte Luft hält die Flammentemperaturen und Emissionen niedrig. Dieses Design ermöglicht einen Betrieb mit reinem Wasserstoff bei extrem niedrigen NO?-Emissionen über einen weiten Lastbereich. Dennoch können thermoakustische Instabilitäten auftreten und müssen gemindert werden, um Hardwareschäden zu vermeiden und die betriebliche Flexibilität zu gewährleisten. Das ARHP-Projekt (Advanced Reheat combustion of Hydrogen with Plasma control) untersuchte zwei zusammenhängende Aspekte der sequentiellen Wasserstoffverbrennung bei erhöhtem Druck: die Charakterisierung der Verbrennungsregime und deren Kopplung mit der thermoakustischen Stabilität sowie die Entwicklung einer plasmabasierten aktiven Regelungsstrategie. Die Experimente wurden in einem Labormassstab-Brenner mit sequentieller Verbrennung bei konstantem Druck durchgeführt, der in beiden Stufen mit reinem Wasserstoff betrieben wurde, bei Drücken von 1, 2, 3 und 4 bar. Bei Atmosphärendruck wurden drei verschiedene Verbrennungsregime identifiziert: ein propagierendes Regime, ein periodisches Selbstzündungsregime und ein stationäres Selbstzündungsregime. Bei erhöhtem Druck verschwindet das periodische Regime und der Übergang zwischen Propagation und Selbstzündung wird abrupt – ein Verhalten, das durch nulldimensionale kinetische Simulationen erklärt wird, die eine starke Empfindlichkeit der Wasserstoff-Selbstzündungsverzugszeit gegenüber der Zwischenstufentemperatur oberhalb von etwa 2 bar zeigen. Die plasmaunterstützte Verbrennungsstabilisierung wurde mittels nanosekundenrepetitiv gepulster Entladungen untersucht, die stromaufwärts der zweiten Brennkammer angewendet wurden. Die ursprüngliche konische Elektrodengeometrie, die zuvor für Methan-Wasserstoff-Gemische verwendet wurde, verursachte bei reinem Wasserstoff unter erhöhtem Druck eine irreversible Flammenverankerung, was die Entwicklung neuer kelchförmiger Elektroden mit einem Elektrodenabstand von 15 mm motivierte. Mit dieser Konfiguration wurde eine bedarfsgesteuerte thermoakustische Stabilisierung bei 2, 3 und 4 bar demonstriert. Die Stabilisierung wurde durch eine plasmainduzierte Verschiebung der Flammenverankerungsposition von der Brennkammer in den sequentiellen Brenner erreicht, wodurch der thermoakustische Grenzzyklus bei 334 Hz unterdrückt wurde. Die beiden wichtigsten Entladungsparameter, die angelegte Spannung (20–30 kV) und die Pulswiederholfrequenz (0,2–50 kHz), wurden bei jedem Druck systematisch variiert. Die angelegte Spannung wurde als der dominierende Regelparameter identifiziert, während die Pulswiederholfrequenz eine untergeordnete Rolle spielte, was den Einsatz von Plasma bei reduzierter Frequenz ermöglichte und so den Energieverbrauch und den Elektrodenverschleiss begrenzte. Eine zufriedenstellende Stabilisierung wurde mit einer plasmadeponierten Leistung von nur 0,01% der gesamten thermischen Leistung des Brenners erreicht, was die Energieeffizienz des Ansatzes bestätigt. Diese Ergebnisse schaffen eine experimentelle und physikalische Grundlage für die plasmaunterstützte Regelung der sequentiellen Wasserstoffverbrennung. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf höhere Drücke nahe an Gasturbinen-Bedingungen, die Optimierung der Elektrodengeometrie und die Validierung einer geschlossenen Plasmaregelung unter variablem Lastbetrieb.