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

Das Forschungsprojekt ENERGIZE konzentriert sich auf die Verbesserung des Brennerdesigns für die Wasserstoffverbrennung, ein Schlüsselaspekt der Energiewende. Dabei kommt die additive Fertigungstechnologie zum Einsatz, um die Beschränkungen herkömmlicher Gestaltungsmethoden zu überwinden. Das Projekt zielt darauf ab, die Flammenstabilität und Emissionen in Wasserstoffbrennern durch modellbasierte Optimierung und Strömungskontrolle zu verbessern, wobei verschiedene Faktoren wie poröse Medien und Mikrokanäle berücksichtigt werden.

Ausgangssituation

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. Bislang war die Konstruktion von Brennern jedoch durch die Herstellungsrestriktionen herkömmlicher Schneid- und Gießtechniken erheblich eingeschränkt. Hier kann die Einbeziehung additiver Fertigungstechnologien in den Entwicklungsprozess einen entscheidenden Wendepunkt darstellen. Die Additive Fertigung erlaubt 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 Additiven Fertigung Rechnung trägt.

Zielsetzung und erwartete Ergebnisse

Das Hauptziel im Forschungsprojekt ENERGIZE ist 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.

Vorgehensweise

Im Rahmen des Projekts werden drei Arbeitspakete bearbeitet. Im ersten Arbeitspaket erfolgt die Analyse von Basis- und Chevron-strukturierten porösen Segmenten, um kohärente Strukturen zu untersuchen und Rückschläge zu erkennen. Zudem erfolgt die Bewertung der Auswirkungen von optimierten Mikrokanaldesigns und Brennstoffzusammensetzungen auf die Flammendynamik und NOx-Emissionen. Das zweite Arbeitspaket umfasst die Durchführung von Large-Eddy-Simulationen der reaktiven Strömung und die Anwendung von Datenassimilationstechniken zur Optimierung der Vermeidung von Flammenrückschlägen. Außerdem wird die adjungierte Optimierung für die lineare Modellierung und Steuerung der Flammendynamik eingesetzt, um die Sicherheit und Effizienz von Verbrennungssystemen zu verbessern. Im dritten Arbeitspaket wird die Additive Fertigung der Strukturen addressiert, wobei die Herstellung von porösen Strukturen unter gezielter Einstellung von Prozessparametern untersucht wird. Zusätzlich erfolgt die Charakterisierung der Fertigung von komplexen Mikrokanälen unter Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden. Abschließend werden Korrelationen zwischen der Nachbearbeitungszeit und innovativen Nachbearbeitungsmethoden bestimmt. Alle Arbeitspakete stehen im ständigen Austausch miteinander.

Dank

Das Forschungsprojekt ENERGIZE wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des SPP 2419 „Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren“ (Projektnummer 500932573) gefördert. Wir bedanken uns für die hervorragende Unterstützung und die Kooperation mit den Projektpartnern.