Zero-Emission-Kraftwerke: Modellierung von Prozessen mit st\u00f6chiometrischer Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in Dampf und Aufbau eines Prototyps \nDie st\u00f6chiometrische Verbrennung von Wasserstoff in thermischen Kraftwerken steht durch die Herausforderung der Energiewende im Fokus<\/p>\nErste Version des geplanten Prototyps<\/figcaption><\/figure>\n
der Forschung. Eine weitestgehend unerforschte Variante thermischer Kraftwerke sind geschlossene Prozesse, in denen Wasserstoff durch Hinzuf\u00fcgen von Sauerstoff in Dampf verbrannt wird. Erste Konzepte wurden bereits Ende der 70er Jahre vorgestellt. Der gr\u00f6\u00dfte Vorteil dieser Prozesse ist die Abwesenheit klimasch\u00e4dlicher Gase, da der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf kondensiert wird. Hinzu versprechen sie thermische Wirkungsgrade von \u00fcber 70 %. Die bekannteste Ausf\u00fchrung ist der Graz Prozess. Der Forschungszweig H2-Kraftwerke befasst sich mit zwei Themen:<\/p>\n
1- Modellierung von Kraftwerken mit dem Prozesssimulationsprogramm Aspen. Ziel ist es, neue Konzepte zu untersuchen und existierende Prozesse hinsichtlich des Wirkungsgrades zu optimieren. Gleichzeitig wird eine Schnittstelle zwischen Aspen und Matlab erstellt, um eine automatisierte Initialisierung und Auswertung der Aspen-Modelle zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n
2- Aufbau eines Prototyps, anhand dessen, erste Betriebsdaten gewonnen und Regelungskonzepte erprobt werden. Dies geschieht parallel zum Versuchsstand Wasserstoffbrennkammer. Es geht darum, die Brennkammer in einem geschlossenen Prozess zu integrieren und von der Theorie in die Praxis zu kommen.<\/p>\n
Studierende. Aufgrund des gro\u00dfen Spektrums der Aufgabenstellungen sind laufend Stellen f\u00fcr Abschlussarbeiten oder T\u00e4tigkeiten als wissenschaftliche Hilfskraft offen. Themen sind: Prozesssimulation, Programmierung, Thermodynamik, CFD<\/abbr>, Konstruktion und Versuchsplanung. Viele dieser T\u00e4tigkeiten sind remote m\u00f6glich. Anschreiben oder Anfragen an:<\/p>\n
David Bocand\u00e9 \nT: +49 406541-3714 \nE:\u00a0\u00a0bocanded@hsu-hh.de<\/p>\n
Splashing-Versuchsstand<\/h2>\nAbb. 1: Au\u00dfenansicht des Splashing-Versuchsstandes<\/figcaption><\/figure>\n
Das Zerfallsverhalten von Tropfen bei Kollision mit festen oder fl\u00fcssigen Oberfl\u00e4chen hat bei vielen technischen Anwendungen gro\u00dfen Einfluss auf den Prozessverlauf. Bei einem Teil dieser Anwendungen ist die Art der Ausbreitung auf den entsprechenden Oberfl\u00e4chen das Hauptaugenmerk. Dazu z\u00e4hlen etwa Verfahren wie der Tintenstrahldruck oder die Desinfektion und Beschichtung von Oberfl\u00e4chen. \nF\u00fcr andere Verfahren ist hingegen der Zerfall der Tropfen selbst und besonders die Eigenschaften der entstehenden Sekund\u00e4rtropfen entscheidend, da diese den weiteren Prozessverlauf stark beeinflussen. \nIn Turbomaschinen treten diese Tropfen-Wand-Interaktionen beispielsweise bei der Eind\u00fcsung von Wasser in den Verdichtereinlauf (Overspray-Fogging) oder bei der Auskondensation von Wassertropfen bei im Nassdampfgebiet operierenden Dampfturbinen auf.<\/p>\n
Da diese Maschinen bei \u00dcber- bzw.<\/abbr> Unterdruck operieren wird am Laboratorium f\u00fcr Str\u00f6mungsmaschinen an der Helmut-Schmidt-Universit\u00e4t ein Versuchsstand entwickelt, in dem der Tropfenzerfall bei den relevanten Umgebungsbedingungen untersucht werden kann (siehe Abb. links).<\/p>\n
Der Tropfenzerfall wird dazu im Schattenverfahren mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen und die so entstandenen Aufnahmen anschlie\u00dfend mit einer Partikelerkennungssoftware ausgewertet. Auf diese Weise k\u00f6nnen allgemeine ph\u00e4nomenologische Ver\u00e4nderungen sowie die Eigenschaften des Sekund\u00e4rtropfensprays untersucht werden (siehe Abb. unten).<\/p>\nAbbildung 2: Links: Deposition eines Tropfens auf einer glatten Oberfl\u00e4che ohne Sekund\u00e4rtropfenentstehung, Mitte: Splashing auf einer glatten Oberfl\u00e4che bei 5 bar, Rechts: Splashing auf einer rauhen Oberfl\u00e4che bei 1 bar<\/figcaption><\/figure>\n
Die Zielsetzung des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung wird durch das Verbundprojekt der AG-Turbo „Turbomaschinen f\u00fcr Energiespeicher und gr\u00fcne Brennstoffe – TurboGr\u00fcn“ u.a.<\/abbr> aufgegriffen.<\/h3>\n
Die AG-Turbo ist ein durch das DLR<\/abbr> gegr\u00fcndeter Verbund von Hochschulinstituten, Forschungszentren und den Weltmarktf\u00fchrern der Turbomaschinen-Industrie. Durch die Einbindung der AG-Turbo in das Forschungsnetz „Flexible Energieumwandlung“ des Bundesministeriums f\u00fcr Wirtschaft und Energie ist der Verbund am Puls der Zeit, um bestm\u00f6glich proaktiv in der Energiewende zu agieren.<\/p>\n
<\/p>\n
Unter dem Arbeitstitel AP 4 – Expander und Verdichter f\u00fcr die Energiewende der AG Turbo erforschen die Verbundpartner Helmut-Schmidt-Universit\u00e4t und MAN<\/abbr> Energy Solutions SE sowie die TU<\/abbr> Dresden das durch die Energiewende aufkommende ge\u00e4nderte Anforderungsprofil der Turbomaschinen. So werden zum Beispiel in CAES (Compressed Air Energy Storage) \u2013 Anwendungen transiente Bedingungen den Expandern aufgepr\u00e4gt.<\/p>\n
Ein Schwerpunkt als Teilarbeitspaket AP 4.2 ist die Untersuchung der Schaufelinteraktion in Expansionsmaschinen f\u00fcr besondere Gase wie sCO\u00ad2, Methan aber auch Wasserstoff.\u00a0 Dabei sollen additiv gefertigte Schaufeln in Turbomaschinen mit deren Besonderheiten und Beeinflussung des Wirkungsgrades eine hohe Gewichtung im Projekt einnehmen. Die additiven Fertigungsverfahren erm\u00f6glichen zudem neue Gestaltungsm\u00f6glichkeiten hinsichtlich Optimierung der K\u00fchlung und Schwingungsverhalten durch transiente Bedingungen sowie einen gestalterischen Freiheitsgrad bei vergleichsweise geringen Fertigungskosten. Weiterhin ist es denkbar durch gerichtete Texturen der 3D-Druck Schaufeln das Str\u00f6mungsverhalten im Spalt gezielt zu beeinflussen.<\/p>\n
Durch die hervorragende Ausstattung der Helmut-Schmidt-Universit\u00e4t wird daher ein Dampfturbinenversuchsstand mit modernster Messtechnik aufgebaut, um neue Kenntnisse zu generieren und diese in die Entwicklung der k\u00fcnftigen gr\u00fcnen Generation von Turbomaschinen einflie\u00dfen zu lassen. Auch die Validierung sowie Optimierung von Berechnungs- und Auslegungsmethoden des neuen Anforderungsprofils wird im Zuge des Projektes erfolgen und sichern die Entwicklung weiter ab.<\/p>\n
Gerade die Weiterentwicklung und die spezifische Anpassung der Turbomaschinen f\u00fcr den GreenDeal tr\u00e4gt zur Sicherung von kosteng\u00fcnstiger und flexibler Energie bei und sichert Deutschland einen hohen Vorteil in der Energiewirtschaft.<\/p>\n
Filmverhalten und Desintegration an Schaufelhinterkanten<\/h2>\n
Untersuchung des Filmverhaltens und der Desintegration an Schaufelhinterkanten unter turbomaschinen\u00e4hnlichen Bedingungen<\/h3>\n
In Gasturbinen werden Wassertropfen gezielt in den Ansaugtrakt eingebracht, verdunsten und k\u00fchlen so die angesaugte Luft. Dieses sogenannte High-Fogging erm\u00f6glicht einen positiven Einfluss auf die Leistung und den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine. Zus\u00e4tzlich werden eine schadstoff\u00e4rmere Verbrennung und gr\u00f6\u00dfere Arbeitsumsetzung in der Turbine erm\u00f6glicht. Allerdings folgen bei dieser Methodik Wassertropfen ab eine Gr\u00f6\u00dfe >10 \u00b5m der Str\u00f6mung im Verdichter nur noch bedingt und treffen aufgrund von Tr\u00e4gheit auf die Schaufeloberfl\u00e4che. Durch den Tropfenaufprall entsteht ein Wasserfilm, welcher durch die anliegende Gasstr\u00f6mung zur Hinterkante getrieben wird. An dieser entstehen fingerartige Wasserstrukturen (Ligamente), welche zu Wassertropfen mit Durchmessern zwischen 10 \u2013 1000 \u00b5m zerst\u00e4ubt werden, was als Desintegration bezeichnet wird. Neben m\u00f6glichen Wirkungsgradeinbu\u00dfen durch die Schleppverluste der Ligamente f\u00fchrt der Aufprall von Tropfen gr\u00f6\u00dfer als 100 \u00b5m auf der n\u00e4chsten Rotorschaufelreihe zu Materialsch\u00e4digung und folglich einer verk\u00fcrzten Lebensdauer durch Erosion.<\/p>\n
Ein umfassendes Verst\u00e4ndnis des Gesamtprozesses ist weiterhin Gegenstand der Forschung. Deshalb soll im Rahmen eines DFG<\/abbr>-Projektes die bisher wenig betrachtete Wechselwirkung zwischen Filmverhalten und Hinterkantendesintegration untersucht werden. Die genaue r\u00e4umliche und zeitliche Aufl\u00f6sung des welligen Fl\u00fcssigkeitsfilms steht dabei im Fokus. Daf\u00fcr wird ein neuer Pr\u00fcfstand aufgebaut, welcher die Untersuchung von scherstr\u00f6mungsgetriebenen d\u00fcnnen Fl\u00fcssigkeitsfilmen unter turbomaschinen\u00e4hnlichen Bedingungen erm\u00f6glicht. Im ersten Schritt wird eine von einem Fl\u00fcssigkeitsfilm benetzte ebene Platte bei Geschwindigkeiten von bis zu 100 m\/s unter Variation des Turbulenzgrades und der Grenzschichtdicke betrachtet.<\/p>\n
Die Filmdicke wird mittels eines neuartigen Absorptionsmessverfahrens unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera bestimmt. Die Methodik basiert auf der konzentrations- und dickenabh\u00e4ngigen Intensit\u00e4tsabschw\u00e4chung des Lichtes in einem Gemisch aus Wasser und Tinte. Ziel ist die sowohl qualitative wie auch quantitative Charakterisierung des globalen Wellenverhaltens, wie auch die von Einzelwellen. Neben der Betrachtung von Fl\u00fcssigkeitsfilmen an der ebenen Platte wird auch die Schaufelhinterkantendesintegration beleuchtet. \u00a0Das Projekt wird in Kooperation mit dem Institut f\u00fcr Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR<\/abbr>) an der Universit\u00e4t Stuttgart numerisch bearbeitet.<\/p>\n
In diesem Forschungsgebiet untersuchen wir das Str\u00f6mungsverhalten in geraden dampfbetriebenen D\u00fcsenkan\u00e4len mit austauschbaren D\u00fcsenprofilen, von einphasigen Bedingungen und hohen Dr\u00fccken bis hin zu zweiphasigen Str\u00f6mungen bei niedrigem Dr\u00fccken. Die durch spontane Kondensation von unterk\u00fchltem Dampf entstehende Nassdampfstr\u00f6mung in den Dampfturbinen f\u00fchrt zu zus\u00e4tzlichen Verlusten und auch zu Ph\u00e4nomenen wie die Tropfenablagerung und Erosion, die sch\u00e4digend wirken k\u00f6nnen.<\/p>\n
Am Laboratorium f\u00fcr Str\u00f6mungsmaschinen an der HSU<\/abbr> verf\u00fcgen wir \u00fcber eine hervorragende Ausstattung und die entsprechende Simulationstools, relevante Versuchseinrichtungen und Messtechnik um das Gebiet der Nassdampfstr\u00f6mungen zu erforschen, wichtige Erkenntnisse auf diesem Gebiet zu entwickeln und die Zukunft der Str\u00f6mungsmaschinen zu gestalten.<\/p>\n
Der Versuchsstand f\u00fcr Brennkammern ist ausgelegt f\u00fcr Luftmassenstr\u00f6me bis zu 10 kg\/s bei Dr\u00fccken von maximal 2bar. Mithilfe eines elektrischen Lufterhitzers mit einer Leistung von 1MW<\/abbr> k\u00f6nnen Eintrittstemperaturen von bis zu 900 K erreicht werden.<\/p>\n
Der Versuchsstand ist f\u00fcr den Betrieb mit gasf\u00f6rmigen Brennstoffen ausgelegt.<\/p>\n<\/div><\/div>\n
Das Laboratorium f\u00fcr Str\u00f6mungsmaschinen ist hervorragend f\u00fcr verschiedenste Messaufgaben in ein- und mehrphasigen Str\u00f6mungen ausger\u00fcstet. Abgesehen von der grunds\u00e4tzlich vorgesehenen Messung von Dr\u00fccken und Temperaturen auf Oberfl\u00e4chen oder mittels Str\u00f6mungssonden sind 2D- und 3D-LDA und PIV-Systeme f\u00fcr die Erfassung von Str\u00f6mungsfeldern vorhanden; in mehrphasigen (z.B.<\/abbr> tropfenbeladenen) Str\u00f6mungen kann zudem die Gr\u00f6\u00dfe der Partikel mithilfe der vorhandenen PDA- und Shadowgraphie-Systeme erfasst werden. F\u00fcr die Messung sehr kleiner Partikel im Sub-Mikrometer-Bereich auf der Basis der Lichtextinktion steht ebenfalls die notwendige Ausr\u00fcstung und Expertise zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
Des Weiteren sind am Brennkammerpr\u00fcfstand des Laboratoriums LIF und UV-LIF-Systeme f\u00fcr die Erfassung der Vorg\u00e4nge w\u00e4hrend der Verbrennung sowie entsprechende Ger\u00e4te zur Emissionsmessung vorhanden.<\/p>\n
Erdgasgefeuerter Flammrohrdampfkessel mit \u00dcberhitzer und Hei\u00dfdampf- Oberfl\u00e4chenk\u00fchler \nmax. Dampfmenge 10 t\/h \nmax. Frischdampfzustand: 17 bar \/ 280 \u00b0C \nBypassleitung mit regelbarer Wassereinspritzung<\/p>\n
\nLuftversorgung:<\/h3>\n
Die zentrale Luftversorgungsanlage des Laboratoriums besteht aus zwei gro\u00dfen Radialverdichtern, die entweder einzeln, parallel oder in Reihe betrieben werden k\u00f6nnen<\/p>\n
max. Druckverh\u00e4ltnis: 3,7 \nmax. Luftdurchsatz: 18 kg\/s \nDie gew\u00fcnschte Lufteintrittstemperatur am Versuchsstand wird mittels eines Nachk\u00fchlers eingestellt.<\/p>\n
Des weiteren steht ein Ventilator mit einem max. Volumenstrom von 10 m\u00b3\/s und einer max. Druckerh\u00f6hung von 1600 Pa als Luftversorgung f\u00fcr kleinere Versuchsst\u00e4nde zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n<\/div><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Wasserstoff befeuerte Kraftwerke Zero-Emission-Kraftwerke: Modellierung von Prozessen mit st\u00f6chiometrischer Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in Dampf und Aufbau eines Prototyps Die st\u00f6chiometrische Verbrennung von Wasserstoff in thermischen Kraftwerken steht durch […]<\/p>\n","protected":false},"author":82,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[4],"tags":[],"class_list":["post-1009","page","type-page","status-publish","hentry","category-forschung"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/1009","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/users\/82"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1009"}],"version-history":[{"count":30,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/1009\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2130,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/1009\/revisions\/2130"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1009"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1009"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1009"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}
![\"Erste](\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-content\/uploads\/sites\/733\/2022\/12\/KraftwerkDesign23-300x255.jpg\")
![\"Splashing\"](\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-content\/uploads\/sites\/733\/2019\/11\/IMG_20191017_150838_resized_20191018_025149752-119x300.jpg\")
![\"Splahing-Versuchsstand\"](\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-content\/uploads\/sites\/733\/2019\/11\/Zusammenschnitt-1024x198.jpg\")
![\"TurboGreen\"](\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-content\/uploads\/sites\/733\/2022\/12\/TurboGreenrender-10-300x232.jpg\")
<\/p>\n![\"Messtechnik\"](\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/lsm\/wp-content\/uploads\/sites\/733\/2019\/10\/TabMesst-300x144.jpg\")
<\/p>\n