Beschreibung

Im Projekt Retrofit H₂ wurde erfolgreich ein Konzept für die Umrüstung von bestehen-den Gasturbinenanlagen auf die Nutzung von Wasserstoff und Mischungen von Wasserstoff und Erdgas gezeigt. Hierzu wurden zunächst durch die Firma PSC verschie-dene Bestandssysteme analysiert - vor allem in Bezug auf den Aufbau der Brennstoffverteil- und Regelsysteme, sowie deren Sicherheitseinrichtungen und das Steuerungssystem. Für den Aufbau der Demonstrationsanlage wurde die Betrachtung speziell auf eine kommerziell erhältliche Mikrogasturbine (MGT) mit einer Größe von 100 kW der Firma Ansaldo Green Tech angewendet und die erforderlichen Umbauten definiert. Gleichzeitig wurde ein auf die MGT angepasstes flexibles Steuer-, Regel- und Mischsystem entwickelt. Dieses dient dazu, die vom Nutzer gewünschte Brennstoffmischung bereitzustellen und der Mikrogasturbine zuzuführen. Hierfür musste eine Kommunikation zwischen Gasturbinensteuerung und der Steuerung des Mischsystems aufgebaut werden, die sicherstellt, dass beide Systeme aufeinander abgestimmt laufen und ein Informationsaustausch stattfindet. Die Mikrogasturbine wurde für die Nutzung von Wasserstoff und Brennstoffmischungen aus Wasserstoff und Erdgas umgebaut. Die Sicherheitseinrichtungen wurden überprüft und durch wasserstofftaugliche Gaswarnsensoren ergänzt. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Brennkammer und das Brennstoffsystem gesetzt. Am DLR Institut für Verbrennungstechnik (VT), Abteilung Gasturbinen, wurde für die Nutzung von Wasserstoff ein neues Brennkammersystem entwickelt. Die erste Auslegung wurde mittels CFD Methoden durchgeführt. Hierbei wurde ein Brennerkonzept gewählt, was auf der jetstabilisierten Verbrennung basiert. Dieses Konzept bietet ein hohe Brennstoffflexibilität und eine erheblich reduzierte Gefahr von Flammenrückschlägen, was vor allem in Hinblick auf die Nutzung von Wasserstoff von Vorteil ist. Aus den numerischen Untersuchungen konnten erfolgversprechende Varianten abgeleitet werden. Diese wurden zunächst in einem atmosphärischen Einzelbrennerprüfstand untersucht und nacheinander zwei Prototypen für die Anlage ausgewählt. Als Testumgebung für die Demonstrationsanlage wurde der DLR Standort Lampoldshausen ausgewählt, da hier eine Testplattform für Wasserstoffanwendungen aufgebaut wurde, die alle Testplätze mit grünem Wasserstoff versorgt und die notwendige Infrastruktur bereitstellt. Die Demonstrationsanlage wurde von PSC und DLR-VT gemeinsam aufgebaut und mit den entwickelten Komponenten Mischsystem und Brennkammersystem ausgestattet, sowie für den Betrieb modifiziert. Die Anlage wurde zudem mit einer mobilen Messdatenerfassung vom Institut VT ausgestat-tet. Die Demonstrationsanlage konnte erfolgreich mit dem Prototyp 1 in Betrieb genommen werden. Da dieser Prototyp noch Verbesserungspotentiale aufzeigte, wurde daraufhin ein zweiter Prototyp aufgebaut und ebenfalls in der Anlage vermessen. Hiermit konnte ein Wasserstoffbetrieb mit Emissionen unterhalb von 15 ppm NOx (normiert auf 15 Vol% Restsauerstoff) erreicht werden. Damit wurde die Grenze von Erdgas aus der TA Luft deutlich unterschritten, was für die Wasserstoffverbrennung, die tendenziell höhere NOx Emissionen verursacht als die Erdgasverbrennung ein außerordentliches Ergebnis darstellt. Zudem konnte die erfolgreiche Zumischung von Erdgas bei stabiler Verbrennung gezeigt werden.