Wasserstoff, Kerosin oder Erdgas: Forscher drucken Turbinendüse für fast jeden Brennstoff
Neue Gaskraftwerke sollen mal mit Wasserstoff laufen, doch womit sie langfristig wirklich betrieben werden, weiß heute niemand. Stuttgarter Forschende haben eine 3D-Druck-Einspritzdüse entwickelt, die fast jeden Brennstoff verarbeiten kann.
Eine Düse für alle Brennstoffe: Das additiv gefertigte Einspritzsystem der Universität Stuttgart soll Wasserstoff, eFuels und Kerosin gleichermaßen sauber in die Brennkammer bringen, und zwar direkt in den Brenner gedruckt.
Foto: Universität Stuttgart / IVLR / AMFlexInj
Windstille über der Nordsee, Wolken über den Solarparks im Süden. In solchen Dunkelflauten springen in Deutschland Gasturbinen ein, damit die Lichter nicht ausgehen. Diese Rolle sollen sie auch im klimaneutralen Stromsystem behalten: Die Bundesregierung lässt 2026 insgesamt 9 GW gesicherte Langzeitkapazität ausschreiben. Zum Zug dürften dabei vor allem Gaskraftwerke kommen; die erste Runde am 8. September war deutlich überzeichnet.
Erdgaskraftwerke, die sich für 15 Jahre verpflichten, müssen nach aktuellem Stand auf reinen Wasserstoff umrüstbar sein und ab 2045 klimaneutral arbeiten. Womit die Turbinen dann tatsächlich laufen, ist noch ungewiss. Wasserstoff, Methanol, synthetischer Sprit oder noch lange Erdgas?
Für Ingenieure ist das ein Problem. Einspritzdüsen in Turbinen werden bislang auf einen Brennstoff hin optimiert, und ein Gas verhält sich in der Brennkammer völlig anders als eine Flüssigkeit. Forschende aus Stuttgart wollen dieses Problem lösen, mit einer Düse aus dem 3D-Drucker.
Inhaltsverzeichnis
Stuttgarter Düse verbrennt Wasserstoff, e-Fuels und Kerosin
Ein Team um Fabian Hampp vom Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und Raumfahrt der Universität Stuttgart hat eine Einspritzdüse entwickelt, die laut Universität eine große Bandbreite von Energieträgern sauber verbrennt, von Wasserstoff über e-Fuels bis zum flüssigen Kerosin.
Dafür haben die Forschenden ein aus Flugzeugtriebwerken bekanntes Funktionsprinzip nach eigenen Angaben so stark verkleinert, dass es sich per 3D-Druck direkt in den Brenner kompakter Gasturbinen fertigen lässt. Die Universität teilte dies am 24. September mit.
Bislang hat sich die Düse nur im Labor bewährt. Im Projekt AMFlexInj wollen die Stuttgarter nun zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) einen Prototyp bauen.
Warum Turbinendüsen meist auf einen Brennstoff optimiert sind
Bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, dazu zählen Erdgas, Methanol und e-Fuels ebenso wie Kerosin, entsteht Ruß, und wie bei jeder Verbrennung mit Luft bilden sich Stickoxide. „Sie bilden sich vor allem dann, wenn der Brennstoff und die Luft nicht gut genug gemischt sind“, erklärt Hampp.
Einspritzdüsen sollen deshalb einen möglichst feinen Nebel und ein gleichmäßiges Gemisch erzeugen. Das gelingt in der Regel nur für einen bestimmten Brennstoff.
- Erdgas strömt als leichtes Gas in die Brennkammer
- Kerosin muss erst zerstäubt werden
- Wasserstoff brennt zwar rußfrei, aber deutlich schneller und heißer als Erdgas, was wiederum die Stickoxidbildung antreibt.
Für Kraftwerksbetreiber heißt das bisher, sich früh auf einen Energieträger festzulegen, obwohl niemand weiß, welcher sich durchsetzt.
Ein Prinzip aus der Luftfahrt
Die Stuttgarter Düse ist ein sogenannter Airblast-Zerstäuber, wie er in Flugtriebwerken üblich ist. Flüssiger Brennstoff wird über gedruckte Mikrokanäle mit nur 0,05 mm Schlitzbreite zu hauchdünnen Filmen ausgebreitet, die ein schneller Luftstrom in Tröpfchen von unter 0,025 mm zerreißt, so beschreibt es das Institut auf seiner Projektseite. So feine Tropfen verdampfen schnell und mischen sich gleichmäßig mit der Luft. Gase wie Wasserstoff oder Erdgas brauchen diesen Schritt nicht, sie strömen direkt ein.
Klar ist, dass das Prinzip erst durch den 3D-Druck so stark miniaturisiert werden konnte, dass es in kompakte Gasturbinen passt. „Der spezielle Aufbau unserer Düsen ermöglicht es, eine große Bandbreite von Energieträgern sauber zu verbrennen“, so Hampp. Im Labor habe das Team damit sehr saubere Verbrennungsvorgänge erzielt, ergänzt Hans-Christian Möhring, Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart.
Konkrete Emissionswerte, etwa für Stickoxide, nennt die Universität allerdings nicht. Auch die Angabe, mit welchen Brennstoffen die Laborversuche genau liefen, fehlt bisher.
Warum sich Einspritzdüsen bisher nicht drucken ließen
„Dass beim Bau von Gasturbinen 3D-Drucker zum Einsatz kommen, ist heute nicht mehr außergewöhnlich“, sagt Hampp. Brennkammern entstehen häufig bereits im Pulverbettverfahren, bei dem ein Laser dünne Schichten Metallpulver Lage für Lage aufschmilzt, bis komplexe Bauteile mit Hohlräumen und Kanälen entstanden sind.
Für die Einspritzsysteme galt das meist nicht, denn die gedruckten Oberflächen sind nie ganz glatt. „Das sorgt für Probleme, wenn man eine definierte Kraftstoffmenge über kleinste Öffnungen als feinen Nebel in eine Brennkammer spritzen möchte“, erklärt Möhring. Die Stuttgarter haben ihre Düse deshalb so konstruiert, dass sie trotz der rauen Oberflächen funktioniert.
Der Trick liegt darin, die Unvollkommenheit zu nutzen. Die Brennstoffkanäle sind schmale Schlitze statt runder Bohrungen. Wie fein der Brennstoff dort austritt, hängt laut Institut von winzigen, beim Drucken zufällig entstehenden Poren im Metall ab, die sich am Computer nicht konstruieren lassen. Deshalb optimiert das Team neben der Geometrie vor allem die Druckparameter, etwa Laserleistung und Scangeschwindigkeit, bis Tropfengröße und Brennstoffverteilung stimmen.
Ein großer Vorteil wären die niedrigeren Kosten: Wird die Düse gleich mit der Brennkammer gedruckt, entfällt ein separat gefertigtes Präzisionsbauteil samt Montage. Das könnte die Herstellung von Gasturbinen laut Universität deutlich verbilligen.
So geht es weiter
Bis zum Einsatz im Kraftwerk steht noch etwas Entwicklungsarbeit an. Was die Universität Stuttgart mitteilt, ist eine Laborlösung mit einem Fahrplan:
- Als Nächstes wollen die Stuttgarter Druckparameter und Düsengeometrie optimieren, dann einen Prototyp bauen und beim DLR Stuttgart mit verschiedenen Brennstoffen testen.
- Laut Projektsteckbrief sollen dabei Stickoxid- und Rußemissionen direkt mit herkömmlichen Einspritzsystemen verglichen werden.
- Das Validierungsprojekt AMFlexInj läuft bis Ende 2029, das Bundesforschungsministerium fördert es mit 1,5 Mio. €. Ziel der Förderlinie VIP+ ist ausdrücklich die Anwendungsreife.
Als Einsatzfelder nennt der Projektsteckbrief dezentrale Energiesysteme, die Schifffahrt und perspektivisch die Luftfahrt. Für die großen Kraftwerksturbinen der Ausschreibungen nach dem Strom-Versorgungssicherheits- und Kapazitätengesetz macht die Universität keine Aussage. Der frühe Entwicklungsstand des Konzepts wird auch daran deutlich, dass noch kein Industriepartner für die Skalierung der Produktion feststeht.
Was das Konzept trotzdem interessant macht, ist seine Flexibilität. Ein Kraftwerksbetreiber, dessen Brenner Erdgas, Wasserstoff und e-Fuels gleichermaßen verträgt, muss sich nicht heute auf einen Energieträger festlegen, der 2035 vielleicht nicht verfügbar oder unbezahlbar ist. Und weil sich laut Universität auch ältere Turbinen nachrüsten lassen sollen, könnte die Düse nicht nur in Neubauten landen.
Andere Forschungsgruppen arbeiten parallel an ganz neuen Turbinenkonzepten für Wasserstoff. Die Stuttgarter setzen dagegen auf das Bauteil, das in jeder Turbine steckt und für das der 3D-Drucker bislang tabu war.
Ein Beitrag von:
