Energiewende

Alessandro Orchini (TU Berlin) erhält ERC Consolidator Grant für Forschung an Wasserstoffturbinen

Prof. Dr. Alessandro Orchini vom Fachgebiet „Experimentelle Strömungsmechanik“ an der TU Berlin hat vom Europäischen Forschungsrat ERC einen der prestigeträchtigen „Consolidator Grants“ erhalten. Das teilt die Technische Universität Berlin in einer Pressemitteilung mit. Mit einem Förderbetrag von 2,5 Millionen Euro wird er über fünf Jahre die thermoakustischen Instabilitäten untersuchen, die in mit Wasserstoff betriebenen Gasturbinen auftreten können. Damit leistet er wichtige Grundlagenforschung für den Erfolg der Energiewende. Der Titel seines ERC Grants lautet „Extreme Thermoacoustic Events in Hydrogen Combustion: High-Frequency Instabilities and Nonlinear Interactions“ (ECHO).

Ein wichtiger Baustein für die Umstellung der Energieerzeugung auf erneuerbare Energien sind Gaskraftwerke, die mit grünem Wasserstoff betrieben werden. Dieser stammt aus der Elektrolyse von Wasser mit Strom von Sonnen- oder Windkraftwerken, kann zum Beispiel in unterirdischen Kavernen gespeichert werden und als Brennstoff in Gaskraftwerken Strom liefern, wenn nicht genügend Sonneneinstrahlung und Wind zur Verfügung stehen. „Im Vergleich zu herkömmlichem Erdgas hat Wasserstoff allerdings eine wesentlich höhere Reaktivität“, erklärt Alessandro Orchini. „Dies kann in Gasturbinen zur Stromerzeugung zu thermoakustischen Instabilitäten führen, die die Verbrennung stören und im schlimmsten Fall die Turbine zerstören.“

Verbrennungsdynamik kann sich aufschaukeln

Diese thermoakustischen Instabilitäten wird Orchini nun für fünf Jahre im Rahmen seines ERC Consolidator Grants ECHO untersuchen. „Wie der Begriff ‚thermoakustisch‘ schon andeutet, müssen starke Druckschwankungen und Temperaturspitzen zusammenkommen, damit sich die Verbrennungsdynamik aufschaukelt“, sagt Orchini. Die zeitliche Komponente sei dabei entscheidend – wie auf dem Spielplatz, wenn er seiner Tochter beim Schaukeln Anschub gibt. „Ich muss abwarten, bis sie genau am Wendepunkt ist. Nur wenn ich ihr dann einen Impuls gebe, kann sie immer höher schaukeln.“ Was jedoch auf der Schaukel zu fröhlichem Jauchzen führt, äußert sich in der Versuchskammer von Orchini am Hermann-Föttinger-Institut der TU Berlin in dröhnendem Lärm.

Forschung an realem Brennkammer-Typ

„Momentan arbeiten wir mit einer Brennkammer aus Quarzglas, in der wir die thermoakustischen Instabilitäten gut beobachten können“, so Orchini. Die Gase darin geraten dabei so in Schwingung, dass man im Versuchsraum nur mit Gehörschutz arbeiten kann. In seinem ERC-Projekt will sich der Forscher nun direkt mit einem der gängigsten Brennertypen in Gaskraftwerken beschäftigen, dem sogenannten „Can-annular Combustor“. Er besteht aus einzelnen Brennkammern (can = Dose), die untereinander durch ein gasführendes Ringrohr verbunden sind. „Ich möchte das Auftreten der Instabilitäten in Abhängigkeit von verschiedenen Anordnungen der Brennkammern untersuchen“, sagt Alessandro Orchini. Dabei geht es um die Anzahl der Kammern, ihre Länge, die Länge ihrer Verbindungsrohre und die Geometrie der Anordnung, bei der auch eine Anordnung in einer Reihe untersucht werden soll. Mit Hilfe von kleinen Lautsprechern an den Kammern wird er akustische Wellen hineinschicken und mit Hilfe von winzigen Mikrofonen die Auswirkungen dieser Anregung aufnehmen.

Computermodelle unterschützen die Experimente

Neben diesen experimentellen Untersuchungen enthält der ERC Grant auch Mittel für die Computermodellierung von Brennkammer-Situationen. Dabei wird es zum einen um hochfrequente Instabilitäten gehen, die mit höherer Energiedichte der Brennstoffe – wie bei Wasserstoff – wahrscheinlicher werden. „Hohe Frequenzen von vier bis sechs Kilohertz haben eine Wellenlänge im Zentimeterbereich. Störungen mit solch einer Wellenlänge liegen also im gleichen Längenbereich wie die Flamme selbst, die etwa zehn Zentimeter groß ist. Dadurch sind die Wechselwirkungen wesentlich komplexer.“ Bisher gibt es für solche Situationen keine einheitliche mathematische Beschreibung.

Auch nichtlineare Effekte werden untersucht

„Der andere Aspekt bei unseren Computermodellen werden nichtlineare Effekte sein“, erklärt Alessandro Orchini. Diese Thema verfolge er seit seiner Promotion an der Universität von Cambridge in Großbritannien, an die er nach seinem Master in theoretischer Physik an der Universität von Genua wechselte. Dabei geht es unter anderem um Fälle, bei denen die Amplituden der Schwingungen der Gase in der Brennkammer gar nicht so hoch sind, es aber trotzdem zu Instabilitäten im Brennvorgang kommt.