Im Projekt InnoTurbinE entwickelt ein Wissenschaftsteam robuste und effiziente Turbinen, die auch mit Wasserstoff betrieben werden können. Dabei unterstützen digitale Zwillinge, um den Wirkungsgrad unter realen Bedingungen zu optimieren.

Zukünftige Kraftwerke benötigen angepasste Turbinen und Prozesse, die den zyklischen Belastungen standhalten und Wasserstoff sowie synthetische Brennstoffe nutzen können. Im Vorhaben „InnoTurbinE, kurz für „Innovative Turbomaschinen für nachhaltige Energiesysteme“ untersucht ein Verbund aus Industrieunternehmen und Hochschulen im Rahmen eines von der AG Turbo initiierten Projekts, wie Turbinen modifiziert werden müssen, damit sie mit wasserstoffangereicherten Brenngasen oder reinem Wasserstoff (H₂) betrieben werden können.

Robuste Turbinen für wasserstoffbetriebene Gaskraftwerke

Um witterungsbedingte Ausfälle bei erneuerbaren Energien zu überbrücken, spielen Speicherprozesse eine wichtige Rolle. Hier nimmt Wasserstoff eine Schlüsselrolle ein. Dabei gehört Wasserstoff zu den leicht entzündlichen Gasen mit großer Flammengeschwindigkeit. Diese Eigenschaft kann beispielsweise während des Verbrennungsprozesses im Brenner zu einem sogenannten Flammenrückschlag führen. Deshalb entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Brennkammern mit neuen Luft- und Gasführungen.

Zudem verlassen die Brennkammer turbulente strömende Gase. Diese können Turbinenschaufeln in Schwingungen versetzen. Bei Gasturbinen mit einem flexiblen und größeren Betriebsbereich erhält dieser Prozess eine größere Bedeutung. Hinzu kommen Resonanzen und selbsterregte Schwingungen, wie bei einer im Wind flatternden Fahne. Deshalb müssen die langen Schaufeln gezielt gedämpft werden. Hierfür optimieren Wissenschaftsteams Aerodynamik, Strukturmechanik und Materialeigenschaften der Turbinenschaufeln.

Bei den Speicher- und Transportprozessen von unterschiedlichen Brenngasen spielen Radialverdichter eine bedeutende Rolle. Damit diese künftig für unterschiedliche Gasgemische mit Wasserstoff einsetzbar sind, erweitern die Forscherinnen und Forscher den Betriebsbereich und passen die Verdichter an den Speicher- und Transportbedarf an. Schließlich verfügen nur robuste Radialverdichter über einen langlebigen und dynamischen Betrieb.

Turbomaschinen virtuell weiterentwickeln

Das Design von Turbomaschinen lässt sich kaum noch verbessern. Um trotzdem unter realen Bedingungen die Wirkungsgrade zu steigern, setzen die Forscherinnen und Forscher auf virtuelle Strategien, die die Produktentwicklung unterstützen. Diese Methode ermöglicht neue Betriebsweisen, die Hersteller bisher nicht gewährleisten konnten.
Daneben bewerten neue virtuelle Auslegungsmethoden gleichzeitig sämtliche Betriebsbedingungen von Turbomaschinen, wie beispielsweise veränderte Strömungen, Temperaturen und Fertigungstoleranzen sowie deren Wechselwirkungen. Ziel der Forscherinnen und Forscher ist es, den realen Betrieb der Turbomaschine mit dem digitalen Zwilling zu vergleichen. So lässt sich in Zukunft voraussagen, wann Bauteile ausfallen und Serviceintervalle nötig werden. (mm)