Innovationslabor „Nachhaltige Wasserstoff-Verbrennungskonzepte“ (WaVe)

Mehr als 20 Forschungsteams in Niedersachsen arbeiten an Lösungen für die Wasserstoff-Wirtschaft. Viele davon im Rahmen der fünf Innovationslabore, die vom EFZN koordiniert werden.

Ein Beitrag zur stärkeren Vernetzung von Wissenschaft und Wirtschaft war die Vorstellung des EFZN-Wasserstoff-Kompetenzpapieres. Das Papier ist eine „Leistungsschau“ des seit 2018 bestehenden Forschungsverbundes Wasserstoff Niedersachsen.

Das NWN hat die Veröffentlichung zum Anlass genommen sich mit Lars Eichhorn, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Technische Verbrennung und Forschender im Innovationslabor WaVe, zu unterhalten.

Herr Eichhorn, Sie arbeiten in einem der fünf Innovationslabore in Niedersachsen. Womit beschäftigt sich das WaVe?

Eichhorn: Das Innovationslabor beschäftig sich in drei Projekten mit nachhaltigen Wasserstoff-Verbrennungskonzepten (WaVe). Ein Projekt beschäftigt sich mit Wasserstoffmotoren in Fahrzeugen. Dort wird untersucht, mit welchen Konzepten und angepassten Komponenten bestehende Nutzfahrzeugmotoren mit Wasserstoff betrieben werden können. Das zweite Projekt untersucht, wie in einem Gaskraftwerk Erdgas durch Wasserstoff ersetzt werden kann. Beim dritten Projekt, an dem ich persönlich arbeite, möchten wir zeigen, dass mit Wasserstoff Primärregelleistung in Gas- und Dampfkraftwerken bereitgestellt werden kann. Die dafür notwendige kurzfristige Leistungssteigerung einer Dampfturbine wird mit zusätzlichem Prozessdampf erzeugt, der das Reaktionsprodukt der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung ist.

Wieso können solche Prozesse nicht elektrifiziert werden?

Eichhorn: In dieser und vielen weiteren Anwendungen werden Temperaturniveaus jenseits der 500 Grad Celsius benötigt. Vor allem in der Produktion von Keramik, Glas, oder Zement ist der Wärmebedarf sehr groß. Dort ist die thermische Nutzung bedeutend effizienter als die elektrische Nutzung von Wasserstoff.

Sie versuchen hier diese Verbrennung noch effizienter zu machen. Wie funktioniert das?

Eichhorn: Besonders anspruchsvoll ist hierbei der Umgang mit der sehr heißen Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme, welche bei atmosphärischem Druck und Temperaturen über 3000 °C verbrennt. Dazu entwickeln wir einen Brenner, welcher der thermischen Belastung standhalten kann und für eine optimale Vermischung der Gase, sowie eine betriebssichere Stabilisierung der Flamme sorgt. Im Vordergrund steht die Reduzierung der Verbrennungstemperatur auf ein technologisch beherrschbares Niveau.

Und das machen Sie mit Wasser?

Eichhorn: Richtig. In vielen Fällen wird dafür Wasserdampf genutzt, welcher der Verbrennung zugefügt wird; herausfordernd sind die erforderlichen Mengen. In unserem Forschungsansatz wird die Flamme mit flüssigem Wasser gekühlt, welches durch den Sauerstoff zerstäubt wird und als Wasser-Sauerstoff-Spray in die Brennkammer eintritt. Innerhalb der Brennkammer erfolgen die Mischung und Oxidation des Wasserstoffs. In ersten Versuchen mit dem neuen Brenner konnte die Flammentemperatur durch das innovative Konzept auf unter 2000 °C reduziert werden. Weitere Vorteile der Nutzung von flüssigem Wasser sind die in der Zuleitung geringeren Leitungsquerschnitte im Vergleich zum dampförmigen Wasser und dass keine Primärenergie benötigt wird, um Wasserdampf herzustellen. Dadurch ist diese Technologie deutlich flexibler und schneller einsatzbereit.

Dampf lässt sich ja aber schon relativ zügig herstellen. Wo brauchen wir denn diese zeitliche Flexibilität?  

Eichhorn: Ziel der Primärregelleistung ist die sekundenschnelle Bereitstellung von zusätzlicher Leistung, um die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten. Das Hochfahren eines Dampferzeugers dauert zu lange und eignet sich daher nicht. Stattdessen verwendet unser Forschungsansatz Flüssigwasser – ohne weitere Vorbereitung.

Sie arbeiten darüber hinaus auch in einem Grundlagenlabor am Wasserstoff Campus Hannover. Was wird hier untersucht?

Eichhorn: Das Grundlagenlabor wurde in erster Linie geschaffen, um bei den Studierenden das Interesse an Wasserstoff im Allgemeinen und vor allem an nachhaltigen verbrennungstechnischen Themen zu wecken. Und tatsächlich erleben wir zwar abnehmende Teilnehmerzahlen bei den Vorlesungen zu Verbrennungsmotoren, jedoch steigendes Interesse seitens der Studierenden an Wasserstofftechnologien und alternativen Kraftstoffen. Insbesondere durch das Labor erhalten wir einige Initiativbewerbungen für unsere innovativen Forschungsprojekte.

Vielen Dank Herr Eichhorn.