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Forschung und Industrie treiben Marktreife voran

An seinen Kölner Prüfständen entwickelt das DLR gemeinsam mit Partnern aus der Industrie die Technologie für Wasserstoffkraftwerke weiter.

Verlässliche und umweltfreundliche Kraftwerke sollen die Stromversorgung sicherstellen.
Infrastruktur zur Forschung und Erprobung von kritischen Kraftwerkskomponenten.

Die Abkehr von fossilen Brennstoffen bis 2050 ist das von der Bundesregierung erklärte Ziel der Energiewende.

Gaskraftwerke sind eine wichtige Technologie, um den Wechsel der Energieversorgung von fossilen auf regenerative Energieträger zu ermöglichen.

Ein Grund dafür ist die Flexibilität dieser Kraftwerke und die Möglichkeit, Gasturbinen nicht nur mit Erdgas, sondern auch mit Wasserstoff zu betreiben. An seinen Kölner Prüfständen entwickelt das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nun gemeinsam mit Partnern aus der Industrie die dafür notwendige Technologie weiter.

Aufgrund des von der Bundesregierung beschlossenen Ausstiegs aus der Verstromung von Kernkraft und Kohle (Dekarbonisierung) besteht zukünftig die Notwendigkeit, die wegfallenden Kapazitäten zu ersetzen. Dafür sollen verlässliche und umweltfreundliche Kraftwerke entstehen, die auch in Zeiten geringer Wind- und Sonnenenergie die Stromversorgung sicherstellen. Besonders geeignet sind dazu Gaskraftwerke, beziehungsweise Gas- und Dampfkraftwerke, die jederzeit und auch über lange Zeiträume hinweg effizient und umweltfreundlich den steigenden Energiebedarf bereitstellen können. Dem Energieträger Wasserstoff kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, wie sie beispielsweise in der Nationalen Wasserstoffstrategie definiert wurde. Das DLR verfügt über eine langjährige, interdisziplinäre Erfahrung in der Wasserstoffforschung, wobei die gesamte Prozesskette von CO2-freier Produktion bis zur Anwendung abgedeckt wird.

Die passende Infrastruktur

Das DLR hat mit dem Hochdruckbrennkammer Prüfstand 2 (HBK 2) einen seiner universellsten Grossprüfstände modernisiert, um damit zukünftig Kraftwerkstechnologien für Wasserstoffanwendungen zu entwickeln. Mit einer leistungsfähigen Luftversorgung und einer modernen Wasserstoffanlage, die unter anderem im Rahmen von NRW-Fördermassnahmen im Jahr 2012 fertiggestellt wurde, steht damit eine einzigartige Infrastruktur zur Forschung und Erprobung von kritischen Kraftwerkskomponenten für eine CO2-freie Stromerzeugung zur Verfügung.

In einer ersten Pilotanwendung wurde ein von der US-amerikanischen Firma PSM ("Power Systems and Manufacturing") entwickeltes innovatives Verbrennungssystem mit Wasserstoff getestet.

Das DLR-Institut für Antriebstechnik stellte dafür die Prüfstandinfrastruktur und ein selbstentwickeltes laseroptisches Diagnosesystem zur Verfügung. Damit konnten erstmals die Vorgänge bei einer Wasserstoffverbrennung in einer Gasturbinenbrennkammer unter realen Druck- und Temperaturbedingungen sichtbar gemacht werden. Damit ist es nunmehr möglich, die komplexen Zusammenhänge besser zu analysieren und die Technologie gezielt zur Serienreife zu entwickeln.

"Unsere Prüfstände wurden ursprünglich für die Luftfahrt entwickelt. Doch unsere Infrastruktur ist flexibel und wir haben lange Erfahrungen in der interdisziplinären Zusammenarbeit mit der Industrie", sagt Christian Fleing, Leiter der Abteilung Brennkammertest. "Bei der Energiewende ist das besonders spannend, denn es handelt sich um ein wichtiges Thema unserer Zeit, zu dem wir einen Beitrag leisten."

In einem nächsten Schritt wird die Wasserstoffverbrennung in Zusammenarbeit mit einem europäischen Konsortium für konkrete Anwendungen in bestehenden Kraftwerken erprobt, um möglichst schnell Erdgas durch Wasserstoff ersetzen zu können. Zu dem Konsortium gehören neben dem DLR die Unternehmen Ansaldo Thomassen, OPRA, Vattenfall, DOW, Nouryon, EmmTec, ENS CHP from Polenergia Group, Hygear und sowie die TU Delft und die TU Eindhoven.

Hintergrundinformation zum Gesamtprojekt

Der Austausch der Brennkammer in einer bestehenden Gasturbine ist der Schlüssel zu einer CO2-freien, wasserstoffbasierten Energieversorgung. Die Technologieentwicklung soll eine Brennstoffflexibilität von 100% Erdgas bis zu 100% Wasserstoff und jeder dazwischenliegenden Mischung von Erdgas mit Wasserstoff ermöglichen.

Die dafür neu zu entwickelnde Brennkammertechnologie muss einen Leistungsbereich von 1 MW bis 300 MW abdecken. In Hochdrucktests werden die Entwicklungsziele validiert und auch Risiken, wie beispielsweise der Flammenrückschlag beim Übergang von einer Leistungsstufe zur nächsten, mit fortschrittlichen Messmethoden bewertet. Bereits für 2022 ist der erste Demonstrationsbetrieb der neuen Technologie in einem realen Kraftwerk geplant.

Quelle: Text Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), 21. Dezember 2020
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