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On the influence of steam in premixed hydrogen flames for future gas turbine applications

Krüger, Oliver

Inst. Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA)

Aufgrund der limitierten Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe, ist der Umschwung auf neue Energieträger, neben der Entwicklung effizienter Energiespeichertechniken und einer intelligenten Lastverteilung, eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Erzeugt aus regenerativen Energiequellen ist Wasserstoff hierfür ein aussichtsreicher Kandidat. Auch wenn Wasserstoff ein herausragender Energieträger ist, ist seine Handhabung nicht trivial. Daher ist es bis heute mit konventionellen Methoden noch nicht möglich eine herkömmliche Gasturbine mit Wasserstoff zu betreiben. Insbesondere die hohen Flammengeschwindigkeiten erhöhen das Risiko eines Flammenrückschlages erheblich. Daher ist es notwendig neue Verbrennungskonzepte zu untersuchen um ein tiefgreifendes Verständnis für die Verbrennungsvorgänge von neuartigen Treibstoffen zu entwickeln. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode untersucht um eine effiziente Verbrennung von Wasserstoff in Gasturbinenprozessen zu ermöglichen. Dafür wird dem Verbrennungsprozess Wasserdampf beigefügt, welcher die Verbrennungstemperatur erheblich absenkt und gleichzeitig den Wirkungsgrad erhöht. Zusätzlich wird ein Gasturbinenzyklus vorgestellt, der eine saubere und effiziente Verbrennung von Wasserstoff erlaubt und gleichzeitig als effizienter Energiespeicher dient. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Verbrennungsprozess von Wasserstoff unter hohen Dampfmengen analysiert. Mit Hilfe von detaillierter Chemie und laminaren Vormischflammen wird Luft und reiner Sauerstoff als Reaktionspartner untersucht. Dazu werden in einem ersten Schritt diverse Reaktionsmechanismen untersucht und mit Literaturdaten zu laminaren Brenngeschwindigkeiten und Zündverzugszeiten verglichen. Es wird außerdem gezeigt, dass Wasserdampf den Verbrennungsprozess hauptsächlich als Stoßpartner beeinflusst, indem er starken Einfluss auf die Erzeugung von Radikalen nimmt. Dadurch wird die Brenngeschwindigkeit und die Selbstzündung stark gehemmt. Außerdem wird nachgewiesen, wie Wasserdampf positiv auf die Bildung schädlicher Stickoxide einwirkt. Bei der Untersuchung von turbulenten Vormischflammen beeinflusst Wasserdampf maßgeblich das Flammenbild. So breitet sich die Wärmefreisetzungszone weiter aus, die Flammenfront verdickt sich und die Flamme nimmt an Länge zu. Die Grobstruktursimulationen (LES) können im Vergleich mit den Experimenten das Strömungsfeld und die Flammencharakteristik sehr gut reproduzieren. Der Beitrag dieser Arbeit ist ein tief gehender Einblick in den Verbrennungsprozess von Wasserstoff unter hohen Wasserdampfeinflüssen, der die Eignung von Wasserdampf für eine emissionsreduzierte und sogar emissionsfreie Verbrennung aufzeigt. Darüber hinaus liefert diese Arbeit validierte Entwicklungsmethoden für die Konzeptionierung von zukünftigen mit Wasserstoff betriebenen Gasturbinenbrennkammern.
Following the limited availability of fossil fuels and growing environmental concerns, energy transition is beside energy storage and grid balancing one of the major challenges of the 21th century. Among the variety of alternative and renewable fuels, hydrogen is a promising candidate if produced from water and excess electricity or biomass. However, hydrogen combustion properties differ significantly from established fossil fuels. For example, it is not possible to operate safely a traditional gas turbine on high hydrogen content fuels, due to the high risk of flashback. In particular it is challenging to retrofit conventional gas turbine applications to allow for an efficiently and clean usage of hydrogen or hydrogen-rich fuels. In fact, it calls for a new generation of combustion technologies based on deep understanding of new fuels and their combustion behavior. The present thesis addresses the possibility to utilize hydrogen as a efficient and clean gas turbine fuel. At nearly stoichiometric conditions steam is added directly into the combustion process, which significantly reduces the flame temperature. Moreover, a possible future gas turbine cycle is discussed that allows for the efficient combustion of hydrogen, energy storage and grid balancing. The scope of the thesis is to investigate the premixed combustion of pure hydrogen diluted with varying amounts of steam for gas turbine applications. The combustion process is modeled accurately using detailed chemical description of the complex oxidation reactions. In order to assess this several reaction mechanisms were identified and compared. Their respective performances are assessed based on laminar premixed flame calculations and auto-ignition events under dry and steam diluted conditions, for which experimentally determined measurements are available. A detailed study enabled to identify the effect of steam focusing on the third-body reactions with a significant increase of some key radial concentrations. In addition, high steam concentration results in a modification of the nitrogen oxides formation pathways, resulting in significantly lower emission concentrations. For the assessment of turbulent flames it is shown that the heat release spreads, the flame front thickens and the flame extends slightly further downstream with the addition of steam. In comparison with the OH* chemiluminescence images the simulated flame shape and positions are well in line with the experiments. In conclusion it is shown that the LES together with the assembled detailed reaction mechanism is able to predict the flow field and oxidation process of steam diluted hydrogen flames. Within the scope of this thesis, new insight into the combustion process of highly steam diluted hydrogen flames is given, showing that steam dilution is a promising alternative for low- or zero-emission combustion. An additional outcome of this study is a accurate and validated set of tools and methods for a further design process of a hydrogen powered gas turbine cycle.