Engagiert für mehr H2

Jenny Larfeldt, Professorin und Senior Expert für Verbrennungstechnik bei Siemens Turbomachinery in Finspång, Schweden, erforscht seit über zehn Jahren die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff in Gasturbinen. In dieser Zeit hat Siemens den Wasserstoffanteil im Brennstoffgemisch erfolgreich Schritt für Schritt erhöhen können. Aber das letztendliche Ziel und die Verpflichtung, die das Unternehmen eingegangen ist, bestehen darin, bis 2030 zu 100 Prozent grünen Wasserstoff verbrennen zu können.

 

Von Nils Lindstrand

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„Wir sind viele hier in Finspång, die mit vollem Engagement, das Ziel einer vollständig erneuerbaren Energieerzeugung mit Gasturbinen erreichen wollen“, sagt Jenny Larfeldt. Aber wie passen Gasturbinen und erneuerbare Energien zusammen? Sie erklärt: Aufgrund ihrer Flexibilität und kurzen Hochfahrzeiten haben sich Gasturbinen als sehr effektiv erwiesen, um die volatile Erzeugung erneuerbarer Energien auszugleichen. Und zusätzlich könnten Gasturbinen in Zukunft vollständig mit Wasserstoff betrieben werden, der aus Wasser und überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen wird.

 

Dieser sogenannte grüne Wasserstoff ist im Grunde genommen eine Möglichkeit, erneuerbare Energien zu speichern, und durch die Nutzung des bestehenden Gasnetzes könnte er die Herausforderung der saisonalen Speicherung meistern. „Deshalb können sich Gasturbinen, die ausschließlich mit Wasserstoff betrieben werden können, als das fehlende Puzzlestück beim Aufbau eines wirklich grünen und nachhaltigen Energiesektors erweisen“, argumentiert Larfeldt.

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Technische Lösungen zur Rettung der Welt

Jenny Larfeldt wollte schon immer Ingenieurin werden. Die Frage war bloß, auf welchen Bereich sich sich konzentrieren sollte? Am Royal Institute of Technology, KTH, in Stockholm, begann sie zunächst ihr Studium im Bereich Bergbau. Doch auch der Fachbereich Energie faszinierte sie, und sie beschloss, einen Kurs in fortgeschrittener Thermodynamik zu besuchen. „Da fühlte ich mich sofort zuhause“, erinnert sie sich.

 

Nach ihrem Abschluss beschloss Jenny Larfeldt, die Welt zu retten. Sie zog nach Göteborg, um für Greenpeace zu arbeiten. Aber sie wollte sich nicht damit begnügen, nur auf Umweltprobleme hinzuweisen – sie wollte sie lösen. Ihre Promotion an der Chalmers University of Technology in 2000 mit einer Arbeit über Holzverbrennung bot ihr das Sprungbrett für eine Karriere in Forschung und Entwicklung.

 

„Später bot sich mir die Chance, bei einem großen Industrieunternehmen, Siemens in Finspång, im Bereich Energietechnik zu arbeiten. Nach den ersten Jahren als Forschungsteamleiterin, mit viel Verwaltungsarbeit, kann ich mich nun voll und ganz als Senior-Expertin der Forschung und Entwicklung widmen.“ Vor drei Jahren wurde Jenny Larfeldt auch zur außerordentlichen Professorin an der Universität Lund ernannt.

 

Bahnbrechender Erfolg durch additive Fertigung

In den letzten Jahren hat sich ihr Streben nach Lösungen auf die große technologische Herausforderung der Verbrennung von Wasserstoffgas konzentriert. Es ist nicht nur ein hochreaktiver Brennstoff, sondern durch seine hohe Flammengeschwindigkeit droht auch ein Flammenrückschlag, was den Brenner zerstören kann. 

 

„Wir verwenden Dry-Low-NOx-Brenner. Zum Schutz der Brennerhardware muss die Einspritzgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches höher sein als die Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff“, erklärt Larfeldt und fügt an: „Der Schlüssel zur Erhöhung des Wasserstoffanteils im Brennstoffgemisch liegt in der Architektur des Brenners – wir mussten die Brennstoffeinspritzung entsprechend anpassen. Unser Durchbruch kam vor drei Jahren, als wir hier bei Siemens in Finspång die additive Fertigung, auch als 3D-Druck bekannt, einführten.”

 

„Diese Technologie ermöglichte es uns, das Design im Inneren des Brenners anzupassen, ohne das Äußere zu verändern. Dies wiederum hat es uns auch erleichtert, bestehende Turbinen nachzurüsten und die Entwicklung des Brennerdesigns drastisch zu beschleunigen.“

Reduzierung der Emissionen auf dem Weg zur Dekarbonisierung

Die Verwendung eines immer höheren Anteils von Wasserstoff als Brennstoff ist in der Tat ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung der Energieerzeugung, da sein Verbrennungsprozess keine Treibhausgase ausstößt – er produziert nur Energie und Wasser.

Während der Weg in eine Zukunft mit 100-prozentigem grünem Wasserstoff geebnet ist, ist das derzeit in Gasturbinen verwendete Wasserstoffgas Bestandteil des Abgases aus industriellen Prozessen mit fossilen Brennstoffen, dem so genannten braunen Wasserstoff, und es bleibt die Notwendigkeit der Reduzierung schädlicher Emissionen.

 

„Siemens hat bei der Bewältigung dieser Herausforderungen einen Vorteil, denn wir haben bereits eine Technologie, die bei niedrigeren Temperaturen arbeitet als die der meisten Mitbewerber“, sagt Larfeldt. Deshalb konzentriert sich ein weiterer Aspekt ihrer Forschugn auf die Begrenzung der Temperatur, die der Schlüssel zur Minimierung der unerwünschten Produktion von Stickoxiden – NOx – ist.

Meilenstein-Tests in Berlin und Finspång

Die Wirksamkeit der neuen Brenner-Prototypen wird zunächst einzeln und mit unterschiedlichen Turbineneinstellungen getestet. Nachdem der Brenner in Einzelkonfiguration getestet wurde, besteht die nächste Herausforderung darin, ihn unter realen Bedingungen zu testen. Bis Januar 2019, als das Testzentrum in Berlin eine Wasserstoffmischstation erhielt und mehrere 3D-gedruckte Brennervarianten getestet wurden, mussten alle diese Tests in Finspång durchgeführt werden. So wurden im Jahr 2017 30 Brenner in einer SGT-800 Gasturbine mit geringen Wasserstoffmengen getestet, und im folgenden Jahr wurde die SGT-600 mit 18 Brennern getestet. „Es war ein tolles Gefühl, als wir feststellten, dass es uns möglich war, die Gasturbine unter realistischen Bedingungen mit Wasserstoffgas zu betreiben. Es war ein Riesenaufwand von all meinen Kollegen hier in Finspång, und was für eine Erleichterung, dass sich die Tests als großer Erfolg herausstellten“, strahlt Larfeldt: „Das ist die fantastische Teamleistung von Finspång!“

 

Bei jedem Test bleibt jedoch eine weitere logistische Herausforderung. „Wir brauchen große Mengen an Wasserstoffgas, aber es gibt keine Großproduktion in der Nähe von Finspång“, erklärt Larfeldt. Sieben Container mit Wasserstoffflaschen bei 250 bar Druck wurden aus ganz Schweden bezogen. „Wir haben auch Wasserstoff in etwas größeren Flaschen aus Deutschland bekommen. Insgesamt reicht das Wasserstoffgas aber bei breit angelegten Tests nur für weniger als eine Stunde.“

Auf die lange Sicht 

Als Finisherin des schwedischen Iron Man-Wettbewerbs weiß Jenny Larfeldt, wie man beharrlich Fortschritte macht und mit Rückschlägen umgeht. Und sie weiß, dass es eines rigorosen Trainings und Testens unter realen Bedingungen bedarf, um an die Grenzen zu gehen und die nötige Ausdauer für das Erreichen der Ziellinie aufzubauen.

Ebenso wird die Fähigkeit, Gasturbinen zu 100 Prozent mit Wasserstoffgas zu befeuern, Schritt für Schritt, Test für Test, erzielt. „Der Innovationsprozess für wasserstoffbefeuerte Gasturbinen kann leicht das ‚Tal des Todes‘ vermeiden, in dem brillante Erfindungen sterben, bevor sie überhaupt ihr volles Potenzial entfalten“, sagt Larfeldt. „Wir können dieselben Turbinen mit unterschiedlichen Wasserstoffanteilen im Brennstoffgemisch, mit braunem oder grünem Wasserstoff betreiben. Bestehende Gasturbinen können einfach nachträglich auf den neuesten Stand umgerüstet werden. Es ist eine organische Entwicklung.”

 

Manche hätten erwartet, dass Gasturbinen im Zusammenhang mit dem bevorstehenden Ausstieg aus den fossilen Energiequellen eine aussterbende Art sind. Tatsächlich verhält es sich genau anders herum, betont Larfeldt, während sie sich auf die nächste Testphase in Finspång vorbereitet: „Gasturbinen spielen eine zentrale Rolle bei der kohlenstofffreien Energieerzeugung.“

02.08.2019

 

Nils Lindstrand ist ein Wirtschafts- und Technologiejournalist mit Sitz in Stockholm, Schweden. Seine Arbeiten wurden in einer Reihe von schwedischen und internationalen Zeitschriften veröffentlicht.

 

Bildquelle: Lasse Burrell; Siemens

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