ENERGIZE: Adjungierten-basierte Optimierung von Wasserstoff-Brennern mithilfe additiver Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kilian Oberleithner; Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit; Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523881008

Die Verbrennung von grünem Wasserstoff wird für die Energiewende von sehr großer Bedeutung sein. Jedoch stellt ihre technische Umsetzung die Gasturbinenbranche vor sehr große Herausforderung. Besonders die Flammenstabilisierung in der Brennkammer ist für den sicheren Betrieb von entscheidender Bedeutung, allerdings sind die aktuell erdgasbasierten Lösungen nicht auf Brennstoffe mit hohem Wasserstoffgehalt übertragbar. Auch die Wechselwirkung von turbulenten Strömungsstrukturen mit der Wasserstoff-Flammenfront ist nur unzureichend verstanden trotz ihrer sehr hohen technischen Relevanz. Einerseits bewirkt die Turbulenz eine Deformation der Flammenfront und ermöglicht dadurch hohe globale Umsatzraten. Andererseits führt sie zu Hotspot-induzierten NOx-Emissionen, thermoakustischen Instabilitäten und Flammenlärm. Eine große Herausforderung besteht daher darin, gezielt die Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Flamme zu kontrollieren, um beide Effekte auszubalancieren. Um diese Herausforderungen der Wasserstoffverbrennung in Gasturbinen zu bewältigen, müssen völlig neue Brennerkonzepte entwickelt werden. Bislang war die Konstruktion von Brennern jedoch durch die Herstellungsrestriktionen herkömmlicher Schneid- und Gießtechniken erheblich eingeschränkt. Hier kann die Einbeziehung additiver Fertigungstechnologien (AF) in den Entwicklungsprozess einen entscheidenden Wendepunkt darstellen. Die AF erlaubt hierbei Brennerkonstruktionen, die völlig losgelöst von den Beschränkungen der konventionellen Gestaltungsmöglichkeiten sind. Mit den herkömmlichen experimentellen und numerischen Methoden ist es jedoch unmöglich, ein Brennerdesign zu entwickeln, das den immensen Freiheitsgraden der AF Rechnung trägt. Das Hauptziel von ENERGIZE ist daher eine grundlegende Verbesserung der Entwurfsprozesse von Brennern durch den Einsatz inverser modellbasierter Techniken zur Optimierung des Brennerdesigns unter Berücksichtigung der physikalischen und technischen Restriktionen der Wasserstoffverbrennung. Diese inverse Technik basiert auf der adjungierten Form der Gleichungen des mittleren Strömungsfelds und ermöglicht eine drastische Beschleunigung des Optimierungsprozesses. Im Rahmen des ENERGIZE-Projekts wird diese Technik für die Optimierung einer turbulenten Wasserstoffstrahlflamme entwickelt, mit dem Ziel, Flammenrückschlag und NOx-Emissionen durch maßgeschneiderte Strömungskontrolle zu verringern. Zu den Kontrollmöglichkeiten gehören Poröse-Medien, Oberflächenbeschaffenheit und das Ansaugen/Ausblasen über Mikrokanäle. Der Ansatz ist interdisziplinär und kombiniert modellbasierte Optimierung und Strömungskontrolle, modernste additive Fertigung und experimentelle Verbrennungsdiagnostik. Dieser kombinierte Ansatz soll grundlegende Erkenntnisse über die Wasserstoffverbrennung liefern und einen integrierten Rahmen für die Entwicklung neuer Wasserstoffverbrennungstechnologien bieten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2419: Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren