Saubere Gasturbinen aus dem 3D-Drucker: Technologie eignet sich für viele Kraftstoffe und soll Energiewende fördern

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Wenn Sonne und Wind nicht ausreichen, um den Energiebedarf zu decken,
springen Gasturbinen ein: Sie verbrennen Erdgas, um auf diese Weise Strom
zu erzeugen. In Zukunft sollen sie möglichst klimaneutral mit Wasserstoff,
Methanol oder anderen eFuels betrieben werden. Forschende der Universität
Stuttgart entwickeln Einspritzsysteme, mit denen kompakte Gasturbinen
unterschiedlichste Kraftstoffe sauber verbrennen können. Diese Injektoren
wollen sie dabei einfach in den Brenner „drucken“.

„Dass beim Bau von Gasturbinen 3D-Drucker zum Einsatz kommen, ist heute
nicht mehr außergewöhnlich“, betont Dr. Fabian Hampp,
Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Verbrennungstechnik der Luft- und
Raum-fahrt (IVLR) der Universität Stuttgart. „Für eine der wichtigsten
Komponenten galt das jedoch bislang meist nicht - die Injektionssysteme,
die den Kraftstoff in die Brennkammer spritzen.“

Gemeinsam mit Prof. Dr. Hans-Christian Möhring, Leiter des Instituts für
Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Stuttgart, und Dr. Oliver Lammel,
Wissenschaftler am Institut für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums
für Luft- und Raumfahrt (DLR), will Hampp diese Forschungs- und
Entwicklungslücke schließen und einen Injektor für kompakte Gasturbinen im
3D-Druckverfahren herstellen. Die neue Techno-logie soll nicht nur Kosten
sparen, sondern auch noch ein zweites Problem lösen: Das Einspritzsystem
soll die Verbrennung unterschiedlichster Energieträger ermöglichen - von
Wasserstoff über eFuels bis hin zu herkömmlichen Brennstoffen. Und das so
gut, dass dabei kaum Schadstoffe entstehen. Im Transferprojekt AMFlexInj
(Additiv gefertigte Mikro-Injektionskonzepte als Enabler für
brennstoffflexible und emissionsarme Verbrennungssysteme) will das Team
das neue Verfahren für die breite Anwendung erproben.

Technologie aus Flugzeugturbinen ermöglicht ruß- und stickoxidarme
Verbrennung

Bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Gase oder Flüssigkeiten - dazu
zählen neben Benzin und Kerosin auch Erdgas, Methanol oder andere eFuels -
können unter anderem Ruß und Stickoxide frei werden. Beide Substanzklassen
gilt es zu minimieren, da sie umwelt- und gesundheitsschädlich sind. „Sie
bilden sich vor allem dann, wenn der Brennstoff und die Luft nicht gut
genug gemischt sind“, erklärt Hampp. „Daher sind Einspritzsysteme so
konzipiert, dass sie einen möglichst feinen Brennstoffnebel und ein
homogenes Ge-misch erzeugen.“

Das ist auch der Grund dafür, dass die Injektoren zumindest bei kleineren
Turbinen bislang nicht im 3D-Druckverfahren hergestellt werden konnten.
Beim herkömmlichen Powder Bed Fusion of Metals-Verfahren wird eine dünne
Schicht Metallpulver auf einer Bauplattform verteilt und anschließend
lokal durch einen Laser aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren wird die
Bauplattform abgesenkt, eine neue Pulverschicht aufgetragen und der
Vorgang schichtweise wiederholt, bis das Bauteil vollständig aufgebaut
ist. Schicht für Schicht entstehen so komplexe Strukturen - Wände,
Hohlräume, Verbindungsgänge. „Das Problem dabei: Die Oberflächen dieser
gedruckten Strukturen sind nie ganz glatt“, sagt Hans-Christian Möhring.
„Das sorgt für Probleme, wenn man eine definierte Kraftstoffmenge über
kleinste Öffnungen als feinen Nebel in eine Brennkammer spritzen möchte.“

Den Arbeitsgruppen ist es jedoch gelungen, ein Einspritzsystem zu
konzipieren, dass trotz der Rauhheit der 3D-gedruckten Komponenten
funktioniert. Die hierzu entwickelten Möglichkeiten der additiven
Fertigung erlaubten es dabei erstmals, ein aus Flugzeugturbinen bekanntes
Funktionsprinzip stark zu miniaturisieren und in ein innovatives
Injektorkonzept zu überführen. „Wir konnten damit im Labor sehr saubere
Verbrennungsvorgänge durchführen“, erklärt Möhring. Damit könnte es
künftig möglich sein, die Herstellungskosten von Gasturbinen deutlich zu
senken. Denn die Brennkammern werden oft ohnehin bereits im 3D-Druck
produziert.

Einspritzdüsen arbeiten mit unterschiedlichen Kraftstoffen von Wasserstoff
bis Kerosin

Die neuartigen Injektoren arbeiten zudem mit sehr unterschiedlichen
Brennstoffen. Normalerweise sind Ein-spritz-Systeme auf einen bestimmten
Kraftstoff spezialisiert. Es ist ein großer Unterschied, ob Wasserstoff,
Erdgas oder das vergleichsweise zähflüssige Kerosin in die Brennkammer
gespritzt wird. Eine ideale Gemischbildung wird daher meist nur für einen
spezifischen Brennstoff erreicht. „Der spezielle Aufbau unserer Düsen
ermöglicht es jedoch, eine große Bandbreite von Energieträgern sauber zu
verbrennen“, sagt Hampp. Diese Flexibilität ist wichtig, da momentan noch
nicht absehbar ist, mit welchen Kraftstoffen Gasturbinen künftig betrieben
werden. Sie könnte zudem dazu beitragen, geopolitische Abhängigkeiten von
bestimmten Energieträgern zu entschärfen. Zumal sich auch alte Turbinen
auf die neue Einspritz-Technologie umrüsten lassen sollten.

Bislang hat sich der Injektor lediglich unter Laborbedingungen beweisen
müssen. Die beteiligten Arbeitsgruppen wollen nun die
Herstellungsparameter für den 3D-Druck sowie die Düsen-Geometrie weiter
optimieren. Im nächsten Schritt wollen sie einen Prototypen konstruieren
und in einer praxisnahen Umgebung mit verschiedenen Brennstoffen in
Kooperation mit dem DLR Stuttgart erproben. Ziel ist es, verschiedene
Brennstoffe bei hoher Leistungsdichte und gleichzeitig geringen Emissionen
und Kosten nutzen zu können.

Zum Projekt

Für das Validierungsprojekt AMFlexInj (Additiv gefertigte Mikro-
Injektionskonzepte als Enabler für brenn-stoffflexible und emissionsarme
Verbrennungssysteme) stellt das Bundesministerium für Forschung, Techno-
logie und Raumfahrt (BMFTR) den Partnern bis Ende 2029 1,5 Millionen Euro
zur Verfügung. Ziel der sogenannten VIP+-Förderung ist es,
Forschungsergebnisse zur Anwendungsreife zu bringen. Die Universität
Stuttgart kooperiert dazu mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und
Raumfahrt (DLR) in Stuttgart. Wichtige Grundlagen für AMFlexInj wurden im
ICM bottom-up Projekt ICM-BUP-28 und im DFG Projekt SPP 2419 – HyCAM
gelegt.