Wasserstoffbasierte Bereitstellung von flexibler Primärregelleistung und Entwicklung eines Dreistoffbrenners für H2-O2-H2O-Verbrennung

Ziel dieses Projektes ist es, zu zeigen, dass im Zuge der Umstellung auf eine Wasserstoffwirtschaft Primärregelleistung durch H2-O2-Brenner innerhalb des Dampfkreislaufes thermischer Kraftwerke bereitgestellt werden kann (PriO2H2- Primary control by Oxygen and Hydrogen combustion). Für den zukünftigen industriellen Einsatz ist es unabdingbar, dass entsprechende Wasserstoffbrenner sicher ausgelegt und für Kraftwerke mit unterschiedlichen Para- metern adaptiert werden können. Dafür wurde vom Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung ein Modell des Referenzkraftwerks Heizkraftwerk Linden mit der Software Ebsilon Professional erstellt. Dabei wurden verschiedene Szenarien untersucht, bei denen Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner vor den Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen integriert wurden. Die alleinige Einspeisung vor der MD-Turbine wies die höchste Brennstoffausnutzung vor. Kraftwerksseitig ist der Ein- fluss des Restgasgehalts bewertet worden. Selbst bei kleineren Verbrennungswirkungsgraden steigt die anfallende Restgasmenge exponentiell an. Daher ist ein hoher Verbrennungswirkungsgrad entscheidend um die Restgasmenge zu minimieren und die Effizienz des Systems zu maximieren. Mittels einer ökonomischen Analyse wurde gezeigt, dass die Bereitstellung von Primärregelleistung durch einen H₂O₂-Dampferzeuger aufgrund der hohen Kosten für grünen Wasserstoff derzeit als nicht ratsam erachtet werden. Die Preisentwicklung auf dem PRL- Markt wies eine deutliche Tendenz zu sinkenden Preisen auf, was die Wirtschaftlichkeit zu- künftig zusätzlich erschwert. In der Folge wurden rein H₂-O₂-befeuerte Kraftwerkstypen unter- sucht. Diese können aus der Verschaltung eines Joule-Prozesses, eines Rankine Prozesses und eines zwischengeschalteten Dampferzeugers bestehen. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass die H₂-O₂-Feuerung bei kombinierten Kraftwerksprozessen lediglich im Joule- Prozess stattfinden sollte. Direkt befeuerte Rankine-Prozesse sind demgegenüber weniger komplex und können ähnlich hohe Wirkungsgrade erzielen. Weiterhin wurde im Projekt die H2-O2-Verbrennung an einem neu entwickelten und zum Patent angemeldeten Dreistoffinjektor untersucht. Der Injektor adressiert die Herausforderungen der H2-O2-Verbrennung, die durch hohe Temperaturen und Flammgeschwindigkeiten gekenn- zeichnet ist, und nutzt die Verdampfungsenthalpie des Wassers zur effizienten Kühlung. Am Institut für nachhaltige Energieversorgung der Jade Hochschule wurde neben einer CFD- Simulationsumgebung auch ein Versuchsstand aufgebaut, der kalte Strömungsuntersuchun- gen durchführt. Hierbei wurden Helium und Luft als Ersatz für Wasserstoff und Sauerstoff ver- wendet, um die Strömungsgeschwindigkeiten mittels eines PIV-Systems zu messen. Das Institut für Technische Verbrennung in Hannover führte dagegen Untersuchungen zum Sprayver- halten und zur Verbrennung durch. Diese umfassten Temperaturmessungen, die Charakteri- sierung des OH*-Eigenleuchtens und die Anwendung der OH-PLIF-Messtechnik zur Analyse der Flamme sowie die Restgasmessung von Wasserstoff im Abgas Die Strömungs- und Tropfenuntersuchungen dienten der Validierung des Strömungsfeldes der CFD Simulation. Die Ergebnisse der Tropfenmessungen legten nah, dass der primäre Trop- fenzerfall aerodynamisch dominiert wird und dass die Tropfenverdampfung und sekundärer Tropfenzerfall danach stattfinden. Die Temperaturmessungen und -simulationen in der Brenn- kammer bestätigten die Wirksamkeit der Wasserbeimischung zur Temperaturreduktion, und die Energieströme des Systems wurden bilanziert. Zusätzlich wurden Reaktionszonen und Flammenfronten mittels OH*-Eigenleuchten und OH*-planarer laserinduzierter Fluoreszenz charakterisiert. Dabei zeigten die drallfreien Injektoren unerwünschte Abhebungen der Reak- tionszonen, während die Drallflammen stabil blieben, woraus geeignete Parameter abgeleitet wurden, mit denen eine Druck- und Leistungsskalierung auf bis zu 2 MW durchgeführt wird und Grundlage für Folgeprojekte ist.