Warten auf das Wasserstoff-Brennen

Wichtigstes Ziel ist eine stabile Verbrennung. Doch zu optimieren gibt es noch mehr. Denn Erdgas und Wasserstoff unterscheiden sich in etlichen Eigenschaften teils deutlich voneinander. Daher ist die Liste der zu lösenden Aufgaben lang: eine Verringerung der Schadstoffemissionen, stabile Flammen, das Verhindern eines Rückschlags der Flammen, ein verlässlicher Betrieb und die Skalierung von Laborversuchen, die bei geringem Druck stattfinden, auf die höheren Drücke in realen Turbinen sind nur einige Beispiele dafür. Hinzu kommt, dass die Brenner künftig idealerweise auch noch weiterhin für Erdgas und außerdem für einen Betrieb mit Biomethan geeignet sein sollen.

Oliver Paschereit forscht bereits seit vielen Jahren an einer sicheren und emissionsarmen Verbrennung von Wasserstoff. Der Wissenschaftler ist Inhaber des Lehrstuhls für Strömungsmechanik am Hermann-Föttinger-Institut der Technischen Universität Berlin. Die Brennkammern in seinem Energielabor bringen bei zehn Bar Druck eine Leistung von einem Megawatt und liegen damit schon nahe an den Bedingungen in einem realen Turbinenbetrieb. „Doch wer Gasturbinenkraftwerke auf Wasserstoff umstellen will, hat noch eine Menge Arbeit vor sich“, stellt Paschereit fest.

Problematischer Rückschlag der Flamme

Denn allein die optimale Vermischung von Wasserstoff und Luft stellt eine Herausforderung dar. Wasserstoff ist reaktionsfreudiger als Erdgas. Das bedeutet: Wenn die Gase in die Brennkammer strömen, startet die Verbrennung bereits, bevor die Vermischung abgeschlossen ist. Die heiße Flamme läuft dann entgegen der Strömungsrichtung auf die Brenner zu. Die Folgen: Ein Flammenrückschlag entsteht und mehr Stickoxide bilden sich. Die hohen Temperaturen während des Rückschlags können zudem das Material der Brenner beschädigen und müssen deshalb unbedingt vermieden werden. Entstehung und Verlauf dieses sogenannten Flashbacks sind unter anderem abhängig vom Anteil der Wasserstoff-Beimischung. Im Labor ist es Paschereit und seinem Team mit neuen Brennergeometrien selbst bei 100 Prozent Wasserstoff gelungen, eine stabile Flamme sowie geringe Emissionen zu erreichen. Allerdings: An realen Turbinen ist das noch kaum getestet worden.

Die höheren Emissionen von gesundheitsschädlichen Stickoxiden (NOx) lassen sich zwar mit Filtern zurückhalten, doch das macht den Einsatz von Wasserstoff vergleichsweise teuer. Beim Heizkraftwerk im Leipziger Süden, das sich nicht weit entfernt von der Innenstadt befindet, ist die neue Rauchgasreinigung bereits an die erwarteten höheren Emissionswerte angepasst. Aber letztendlich weiß noch niemand, wie viel NOx künftig freigesetzt wird. Optimieren lässt sich das erst im laufenden Betrieb.

Wer das Labor von Oliver Paschereit besucht, bekommt eine weitere Herausforderung im Wortsinn zu hören. Und er sollte dazu besser einen guten Gehörschutz aufsetzen. Denn es brummt so laut, dass neben der Brennkammer alle Organe im Körper zu vibrieren scheinen. Den ohrenbetäubenden Lärm verursachen sogenannte thermoakustische Wellen. Der Berliner Wissenschaftler nennt die Wasserstoff-Flamme eine „singende Flamme“, mit einem Geräusch wie dem eines Nebelhorns in Tonhöhen von Bass bis Sopran.

Es ist ein Resonanzphänomen, bei dem sich in der Brennkammer eine stehende akustische Welle aufbaut. Schwankt die Freisetzung von Wärme während der Verbrennung und trifft das Maximum des Drucks mit dem Maximum der Wärme zusammen, wird es laut. Dieses Phänomen tritt nicht nur in Gasturbinen auf, sondern etwa auch bei Raketentriebwerken. Dass es den amerikanischen Forschern gelang, die hohen Amplituden des Drucks in einer Rakete zu unterbinden, war ein entscheidender Fortschritt, durch den die USA in den 1960er-Jahren das Rennen um die erste Mondlandung gewinnen konnten.

Trotz der vielen ungelösten Probleme hört es sich auch anderswo an, als wäre alles klar: So hieß es in Wien: „Weltpremiere“ mit internationaler Bedeutung. Auf diese Weise beschrieben die Medien den Wasserstoff-Test Ende 2023 im Kraft-Wärme-Kraftwerk Donaustadt. An einzelnen Testtagen wurden dem Erdgas dort geringe Anteile Wasserstoff zugemischt. Der österreichische Energieversorger Wien Energie schrieb dazu: „Dieser Betriebsversuch ist der weltweit erste dieser Art an einer kommerziell genutzten Gas- und Dampfturbinenanlage in dieser Leistungs- und Effizienzklasse.“ Für wenige Minuten wurden, langsam gesteigert, 5 bis auf 15 Volumenprozent Wasserstoff beigemischt. Allerdings: Da der Heizwert von Wasserstoff nur rund ein Drittel dessen von Erdgas beträgt, relativieren sich die Prozentangaben bezogen auf den Beitrag an Energie auf 1,6 beziehungsweise 5 Prozent.

Ziel der Versuche war es, Hinweise zur Entwicklung von künftigen Gasturbinen zu erhalten. Nun ist ein nächster Versuch geplant, bei dem der Wasserstoff-Anteil auf 30 Volumenprozent erhöht werden soll. Angestrebt ist letztlich ein Regelbetrieb mit 15 Volumenprozent Wasserstoff. Allerdings: Wien Energie stellt auch ernüchternd zur Versorgung mit grünem Wasserstoff fest: „Die erforderlichen Mengen für einen dauerhaften H₂-Betrieb im Kraftwerk gibt es derzeit noch nicht.“

Wasserstoff-Brennen in der Papierfabrik

Der zweite kleine Versuch fand ebenfalls Ende 2023 in Frankreich statt. In der Papierfabrik von Smurfit-Kappa wurde in dem Pilotprojekt Hyflexpower eine Gasturbine von Siemens Energy mit 100 Prozent Wasserstoff betrieben – aber nur für einige Stunden, dann war der Wasserstoff-Speicher leer, berichtet Erik Zindel. „Wir haben hier versucht, so viele Betriebszustände wie möglich zu fahren“, erklärt der Manager im Bereich Wasserstoff- und Dekarbonisierungstrategie bei Siemens Energy. Weitere Versuche sind in Vorbereitung. Es war auch eine recht schwache Turbine für eine industrielle Kraft-Wärmekopplung mit lediglich 12 Megawatt elektrischer Leistung, die in Smurfit-Kappa genutzt wurde. Moderne Gaskraftwerke leisten hingegen mehr als 340 Megawatt.

Für weitere Versuche, die Erkenntnisse für eine Hochskalierung der Technik liefern könnten, gibt es aktuell nur wenige Ankündigungen. Die Flensburger Stadtwerke haben vor, in ihrem Heizkraftwerk ab 2028 im Rahmen von Experimenten „den ersten grünen Wasserstoff “ zu verbrennen, sagt Karsten Müller-Janßen, Geschäftsbereichsleiter Anlagenbau und Projekte des Unternehmens. Doch Genaues dazu ist nicht bekannt. Auch die Flensburger Betreiber beanspruchen für sich, „eines der ersten Stadtwerke in Deutschland“ zu sein, „das den Einsatz von Wasserstoff als Modellprojekt in der Energieerzeugung konkret plant und in die Praxis umsetzen möchte“. Einen klaren Vorteil bietet die Stadt im Norden von Schleswig-Holstein: Dort lässt sich Wasserstoff per Pipeline aus Dänemark importieren.

Eine weitere Ankündigung gibt es in Großbritannien. Dort will Siemens Energy für Tests einen „Kaventsmann“ an Turbine nutzen. Die Turbine des Großkraftwerks Keadby 2 soll schon für den Einsatz von 100 Prozent Wasserstoff geeignet sein, ebenso wie die Zuleitungen und der Explosionsschutz der Anlage. Die 440 Megawatt-Turbine kann dann jede Stunde bis zu einer Tonne Wasserstoff verbrennen. Siemens Energy plant, erst mit Zumischungen für die 440 Megawatt-Turbine zu starten. Dasselbe ist auch für den späteren regulären Betrieb vorgesehen und würde Flexibilität bei „Verzögerungen in der Wasserstoff-Infrastruktur“ bieten. Der künftige Betreiber des Kraftwerks, der britische Energiekonzern SSE, treibt neben der Nutzung von grünem aber auch die von blauem Wasserstoff voran, der aus der sogenannten Dampfreduzierung von Erdgas entsteht. Dabei wird der fossile Brennstoff chemisch in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) gespalten.

Auch in Lingen an der Ems herrscht Optimismus. Die beiden Firmen RWE Generation und Kawasaki Heavy Industries kündigten bereits 2021 an, sie würden „eine der weltweit ersten wasserstofffähigen Gasturbinen im Industriemaßstab“ betreiben. In einer Anlage mit 34 Megawatt Leistung sollte seit Mitte 2024 eine „Wasserstoff-Turbine“ installiert sein, die 100 Prozent Wasserstoff umsetzt. Doch bislang gibt es die versprochene Turbine nicht. Man halte aber weiterhin an den Plänen für erste Feldversuche mit 100 Prozent Wasserstoff fest, sagt der Pressesprecher von RWE Generation: „Denn wir brauchen schnell Betriebserfahrung, um die Wasserstoff-Verstromung zur Marktreife zu bringen.“

Kein Kaltstart mit Wasserstoff

Künftig sollen Gaskraftwerke nur bei Bedarf und kurzfristig angeschaltet werden. Allerdings: Dieser Start wird ohne den Einsatz von Erdgas nicht gelingen. Denn eine Turbine muss immer zunächst mit Erdgas oder mit Hilfsbrennstoffen wie Biogas auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht werden. Dieser Vorgang dauert rund drei Stunden. Ein „Kaltstart“, bei dem von Anfang an Wasserstoff zugesetzt wird, ist hingegen nicht möglich.

Eines der Unternehmen, die das Verbrennen von Wasserstoff in Gasturbinen technisch ermöglichen wollen, ist Siemens Energy. Der Hersteller hat die Turbinen für das Kraftwerk Leipzig Süd sowie für die Tests in Frankreich und Wien geliefert. Erik Zindel ist verantwortlich für die Strategie, um die gesamte Flotte an Gasturbinen für Wasserstoff tauglich zu machen. „Während der Versuche stopfen wir die Turbine voll mit Sensoren“, erläutert der Ingenieur. Am besten wären so viele Versuche wie möglich in den nächsten Jahren – auch, um alle möglichen Betriebszustände fahren zu können. Denn nicht alles lässt sich modellieren oder im Labor testen. „Wir müssen die Brenner letztlich auch in der Turbine testen“, sagt Zindel.

Schwierige Wasserstoff-Logistik

Allerdings: Ob sich der Zeitplan für die Umstellung der Kraftwerkstechnik auf Wasserstoff einhalten lässt, hängt von mehreren Faktoren ab: etwa vom aktuell hohen Preis für grünen Wasserstoff sowie von der bislang mangelhaften Versorgungslogistik. Ein Anschluss an eine Pipeline des Wasserstoff-Kernnetzes ist zwar mancherorts geplant, dauert aber noch. Bis dahin werden die stets nur wenige Stunden dauernden Versuche mit vor Ort gespeichertem Wasserstoff oder mit Tanklastzügen gestemmt. Doch ein 400 Megawatt-Kraftwerk kann pro Stunde bis zu 700 Megawattstunden Energie aus Wasserstoff verbrauchen, sagt Anne Wasike-Schalling, Forscherin am Reiner Lemoine Institut in Berlin. Dafür wären rund zwölf moderne Wasserstoff-Drucktanks mit jeweils mehr als einer halben Tonne des Gases nötig – und das jede Stunde.

Der Physiker Christoph Gerhards war 2023 bei der Eröffnung des Neubaus in Leipzig dabei. Er forscht an der Universität Konstanz über Energiesysteme und hält den Einsatz von Wasserstoff zwar für sinnvoll – aber nur dann, wenn sich aus erneuerbaren Quellen nicht genug Strom produzieren lässt. „Wir brauchen Gaskraftwerke als Reserve für die Stromerzeugung“, meint Gerhards. ■

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