Auswirkungen von Wasserstoff und Erdgas-Wasserstoffgemischen auf Gasgebläsebrenner

10. Juni 2024 | Im Rahmen der Energiewende kann Wasserstoff als erneuerbarer Energieträger in der Industrie- und Prozesstechnik zukünftig einen entscheidenden Beitrag leisten. Allerdings weist Wasserstoff als Brennstoff deutlich andere Eigenschaften als Erdgas auf. Um die Auswirkungen von Wasserstoff und Erdgas-Wasserstoffgemischen auf einen Gasgebläsebrenner nach EN676 zu analysieren, wurden Untersuchungen mit einem modernen mündungsmischenden dreizler marathon® LOW-NOX Gasgebläsebrenner auf Basis der Hohlflamme®-Technologie durchgeführt. Die Schwerpunkte der Untersuchungen bildeten hierbei der Einfluss auf die NOX-Emissionen und deren Reduktionsmöglichkeiten, die thermische Belastung, die Eignung unterschiedlicher Flammenwächtertechnologien sowie die Auswirkungen auf den Brennstoff-Luft-Verbund. Die Ergebnisse demonstrieren die Eignung des Brennersystems für den brennstoffflexiblen Einsatz von Wasserstoff und Erdgas. Lesen Sie mehr im Fachbericht von Andreas Huber.

Der gesamte Endenergiebedarf Deutschlands wird im Zuge der Energiewende auch mit dem Erreichen der Ausbauziele der erneuerbaren Energien und der ambitionierten Energieeinsparziele allein auf Basis des inländisch erzeugten erneuerbaren Stroms nicht gedeckt werden können. Unter anderem in der industriellen Wärme- und Dampferzeugung wird der verbleibende Energiebedarf auch in Zukunft durch gasförmige oder flüssige Energieträger sichergestellt werden müssen.

Langfristig stellt laut BMWi [1] insbesondere CO2-freier Wasserstoff als zukünftiger speicherbarer Energieträger einen festen Bestandteil der Energiewende dar. Der Wasserstoff soll hierbei aus erneuerbaren Energien mit Hilfe des Elektrolyseverfahrens als grüner Wasserstoff erzeugt werden. Aufgrund der limitierten erneuerbaren Stromerzeugung im Inland wird dieser vor allem aus dem Ausland importiert werden müssen. Alternativ kann der Wasserstoff durch Reformation von Erdgas gewonnen werden. Wird hierbei das anfallende Kohlendioxid abgeschieden und gespeichert (carbon capture and storage, CCS), wird der so erzeugte Wasserstoff als blauer Wasserstoff bezeichnet.

Mit der Wasserstoffeinmischung ins Erdgasnetz befassen sich aktuell einige Forschungsprojekte, die die Wasserstoffverträglichkeit von Bestandsgasgeräten bei einer Beimischung von bis zu 20 Vol.-% Wasserstoff [2] und 30 Vol.-% Wasserstoff [3] ins Erdgasnetz prüfen. Im Rahmen der vom BMWi geförderten Reallabore im Bereich der Wasserstoff- und Energiespeichertechnologien soll u. a. die Verwendung von 100 Vol.-% Wasserstoff in wasserstoffbasierten Microgrids erprobt werden [4].

Auch wenn Erdgas als Energieträger über 2030 eine wichtige Rolle in der Versorgung mit Heizwärme, Prozesswärme und Prozessdampf spielen wird, müssen Anlagen, die in den nächsten Jahren errichtet oder modernisiert werden, aufgrund der in der Regel langen Lebensdauer auf den möglichen Einsatz von erneuerbaren Brennstoffen oder deren späteren Ertüchtigung ausgerichtet werden.

Seit den Anfängen des Stadtgases verfügt die Walter Dreizler GmbH bereits über 50 Jahre Erfahrung in der Verwendung von Energieträgern mit hohem Wasserstoffanteil. Das Stadtgas (Gasfamilie 1), das damals aus der Kohlevergasung gewonnen wurde, setzte sich neben Kohlenmonoxid, Methan und Stickstoff aus bis zu 60 Vol.-% Wasserstoff zusammen. Noch in den 1980er Jahren wurden in Berlin Gasgebläsebrenner im Megawattbereich mit aus Benzin reformiertem Gas mit 50 Vol.-% Methan und 50 Vol.-% Wasserstoff betrieben. Bisher bereits durchgeführte Untersuchungen im Jahr 2019 [5] zeigen, dass mit der aktuellen Baureihe marathon … ARZ mit einer im Brennerkopf integrierten Abgasrezirkulation ARZ zur NOX-Reduktion eine Beimischung von bis zu 10 Vol.-% Wasserstoff mit geringen Anpassungen und entsprechendem Feuerungsmanager möglich ist.

Um die Fähigkeit des Einsatzes von bis zu 100 Vol.-% Wasserstoff in den modernen mündungsmischenden marathon LOW-NOX Gasgebläsebrenner auf Basis der Hohlflamme-Technologie (EU-Patent EP 2126471 B1) zu verifizieren, wurden im März 2020 am Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. in Essen (GWI) umfangreiche Versuche durchgeführt. Diese Brennertechnologie (siehe Bild) wird je nach Brennstoff und Anwendung an Anlagen zur Wärme- und Dampferzeugung in Prozess- und Industrieanlagen und zur Fernwärmeversorgung mit einer Brennerleistung von 1 bis 44 MW eingesetzt.

Beispiel marathon Gebläsebrenner nach EN676 (© Walter Dreizler GmbH)

Die Walter Dreizler GmbH produziert Brennersysteme auf Basis der Hohlflamme-Technologie zur Nach- oder Neuausrüstung für verschiedenste gasförmige und flüssige Brennstoffe für getrennten oder kombinierten simultanen Betrieb im Bereich mehrerer Gigawatt pro Jahr und verfügt in Europa über einen kompetenten eigenen Service.

Verbrennungseigenschaften Wasserstoff

Der Brennstoff Wasserstoff unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht deutlich vom Brennstoff Erdgas1, das in der Regel vor allem aus Methan besteht. Durch den geringeren, volumetrischen Heizwert und der geringeren Dichte von Wasserstoff sinkt mit steigenden Wasserstoffanteilen der Heizwert und der Wobbe-Index des Erdgas-Wasserstoffgemisches. Analog zum Heizwert sinkt der stöchiometrische Luftbedarf.

Mit steigenden Wasserstoffanteilen erhöht sich die adiabate Flammentemperatur, die ohne weitere Maßnahmen zu einer Zunahme der thermischen NOX-Bildung führt. Eine Erhöhung der adiabaten Flammentemperatur von ca. 2.050 auf ca. 2.200 K, für eine Luftzahl von 1,2 gezeigt, führt zu einer um ca. 3,5-fachen Erhöhung der thermischen NO-Bildungsrate gemäß dem NO-Geschwindigkeitsgesetz [6].

Die Zunahme der laminaren Flammengeschwindigkeit sowie die starke Abnahme der Zündverzugszeit bei steigendem Wasserstoffanteil verkürzen den Ausbrand und erhöhen die thermische Belastung der flammenberührten Bauteile.

Um die gleiche Feuerungsleistung bei höheren Wasserstoffanteilen zu erzielen, muss der Gasdurchsatz bzw. der Gasdüsendruck erhöht werden. Wird die Einstellung des Gasdruckreglers nicht angepasst, sinkt durch den gleichbleibenden Gasdruck die Feuerungsleistung mit zunehmendem Wasserstoffanteil und erreicht bei 90 Vol.-% Wasserstoff sein Minimum. Auf der anderen Seite sinkt durch den geringeren stöchiometrischen Luftbedarf der erforderliche Luftvolumenstrom. Ohne Regelung der Luftmenge – durch beispielsweise eine O2-Regelung – sinkt die Verbrennungseffizienz und damit der Anlagenwirkungsgrad. Die Effekte bei gleicher Einstellung des Gasdruckreglers und konstantem Luftvolumenstrom sind für einen beispielhaften Fall mit einer Luftzahl von 1,2 bei Erdgasbetrieb dargestellt.  Während die Feuerungsleistung um ca. 19 % sinkt, steigt die Luftzahl in der Spitze bei 90 Vol.-% Wasserstoff um bis zu 42 %.

Aufnahmen der Flamme bei unterschiedlichen Leistungen und Brennstoffzusammensetzungen bis 100 Vol.-% Wasserstoff (© Walter Dreizler GmbH)

Versuchskonzept / -aufbau

Schwerpunkt der Untersuchungen des marathon Brennersystems auf Basis der Hohlflamme-Technologie waren die Auswirkungen von bis zu 100 Vol.-% Wasserstoff auf die thermische Belastung, die NOX-Emissionen und deren Reduktionsmöglichkeiten, die Eignung unterschiedlicher Flammenwächtertechnologien sowie die Auswirkungen auf den Brennstoff-Luft-Verbund.

Der hierbei eingesetzte Brenner verfügt über eine thermische Leistung von bis zu 1,1 MW. Aufgrund der vorhandenen Infrastruktur und dem maximal möglichen Wasserstoffmassenstrom musste die Leistung des Brenners auf 600 kW und bei 100 Vol.-% Wasserstoff auf 450 kW begrenzt werden. Die Feuerraumquerschnittsund Volumenbelastung am Prüfflammrohr nach EN676 betrug max. 3,0 MW/m2, bzw. 1,53 MW/m3.

Die Flammenüberwachung erfolgte über Ionisationselektroden sowie über optische, kombinierte UV-/ IR-Flammenwächter. Zu Messzwecken wurden zwei Ionisationselektroden eingesetzt. Hierbei wurden der Ionisationsstrom, die Flackerfrequenzen und die Spannungen der UV- und IR-RMS2 Signale aufgezeichnet. Aufgrund der Regelung des Gasmassenstroms durch zwei Massenstromregler (Erdgas / Wasserstoff) wurde das für den normalen Gebrauch verwendete Regelventil der Gasrampe gegen ein zusätzliches Sicherheitsventil ersetzt und die Gasklappe mit Stellantrieb entfernt. Weiterhin wurde eine Deflagrationssicherung eingesetzt. Zur NOX-Emissionsminderung wurde eine externe Abgasrückführung – dreizler ARF – verwendet. Die NOX- und CO-Emissionen wurden mit Analysatoren der Firmen Ecophysics (CLD 822 Sr) und Emerson (NGA2000) gemessen. Zur Bestimmung der externen Abgasrückführungsraten wurde der Sauerstoffanteil in der Verbrennungsluft und im Abgas ermittelt. Zur Messung der Material- und Oberflächentemperaturen wurden an verschiedenen Bereichen der Mischeinrichtung Thermoelemente installiert. Zusätzlich wurden die Temperaturen des Abgases in der externen Abgasrückführung ARF, in der Verbrennungsluft, in der Gasstrecke sowie die Gasdrücke vor dem Gasdoppelventil und am Gasanschluss des Brenners und der Luftdruck in der Mischeinrichtung und im Feuerraum aufgezeichnet.

(© Walter Dreizler GmbH)

Die Versuche wurden mit 100 Vol.-% Wasserstoff, 100 Vol.-% Erdgas und Erdgas-Wasserstoff-Gemischen mit je 30, 50, 70 und 90 Vol.-% Wasserstoff an bis zu fünf verschiedenen Lastpunkten durchgeführt. Zusätzlich wurde der Einfluss der Luftzahl von nahstöchiometrischen bis zu mageren Bedingungen (Luftzahl 1,5) sowie der Einfluss unterschiedlicher externer Abgasrückführungsraten untersucht.

Zur Gesamtpublikation

(Quelle: Prozesswärme 04/2020/Andreas Huber)

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