Die Energiewende stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar, und der Einsatz von Wasserstoff als saubere Energiequelle spielt eine zentrale Rolle in diesem Prozess. In diesem Kontext wurde Prof. Dr. Alessandro Orchini, ein führender Wissenschaftler im Bereich der Experimentellen Strömungsmechanik an der Technischen Universität Berlin, mit einem ERC Consolidator Grant in Höhe von 2,5 Millionen Euro ausgezeichnet. Diese Förderung wird ihm ermöglichen, über einen Zeitraum von fünf Jahren zu forschen und die thermoakustischen Instabilitäten zu untersuchen, die in Wasserstoff-betriebenen Gasturbinen auftreten können.
Der Titel seines Projekts lautet „Extreme Thermoacoustic Events in Hydrogen Combustion: High-Frequency Instabilities and Nonlinear Interactions“ (ECHO). Gaskraftwerke, die mit grünem Wasserstoff betrieben werden, sind entscheidend für die zukünftige Energieversorgung. Dieser Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser gewonnen, wobei der benötigte Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie stammt. Zudem kann Wasserstoff in unterirdischen Kavernen gespeichert werden, um die Energieversorgung aufrechtzuerhalten, wenn die natürlichen Ressourcen nicht ausreichen.
Ein zentrales Problem, das Orchini in seiner Forschung adressiert, ist die höhere Reaktivität von Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichem Erdgas. Diese erhöhte Reaktivität kann in Gasturbinen zu thermoakustischen Instabilitäten führen, die die Verbrennungsprozesse stören und im Extremfall die Turbine beschädigen können. „Thermoakustische Instabilitäten entstehen, wenn starke Druck- und Temperaturänderungen zusammentreffen“, erklärt Orchini. Diese Dynamik kann sich aufschaukeln, was zu schweren Störungen im Verbrennungsprozess führt.
Um diese komplexen Phänomene zu untersuchen, plant Orchini, verschiedene Anordnungen von Brennkammern zu analysieren. In seinem Labor am Hermann-Föttinger-Institut der TU Berlin wird er mit einer speziellen Brennkammer aus Quarzglas arbeiten, die es ermöglicht, die instabilen Zustände genau zu beobachten. „Die Gase in der Brennkammer erzeugen so starke Schwingungen, dass wir nur mit Gehörschutz arbeiten können“, sagt der Wissenschaftler.
Im Rahmen seines ERC-Projekts wird Orchini sich auf einen gängigen Brennertyp konzentrieren, den sogenannten „Can-annular Combustor“. Dieser besteht aus mehreren Brennkammern, die durch ein Ringrohr miteinander verbunden sind. Seine Forschung wird sich darauf konzentrieren, wie die Anordnung, die Anzahl und die Länge der Brennkammern sowie die Geometrie der Verbindungselemente das Auftreten von Instabilitäten beeinflussen. Hierbei wird er akustische Wellen erzeugen und deren Auswirkungen mithilfe von Mikrofonen erfassen.
Zusätzlich zu den experimentellen Arbeiten werden auch Computermodelle entwickelt, um die unterschiedlichen Brennkammer-Parameter zu simulieren. Insbesondere konzentriert sich die Forschung auf hochfrequente Instabilitäten, die bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff wahrscheinlicher sind. Diese Frequenzen liegen im Bereich von vier bis sechs Kilohertz, was bedeutet, dass sie in einem Größenbereich liegen, der vergleichbar mit der Flamme selbst ist. Dies führt zu komplexeren Wechselwirkungen, die bisher nicht ausreichend mathematisch beschrieben werden konnten.
Ein weiterer Aspekt von Orchinies Forschung sind nichtlineare Effekte in der Brennkammer. Diese Phänomene treten auf, wenn die Schwingungsamplituden der Gase nicht besonders hoch sind, aber dennoch Instabilitäten verursachen können. Diese Fragestellungen verfolgt Orchini bereits seit seiner Promotion an der Universität Cambridge und wird nun im Kontext der Wasserstoffverbrennung weiter vertieft.
Die Forschung von Prof. Dr. Alessandro Orchini ist ein bedeutender Beitrag zur Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologie und zur Förderung der Energiewende. Durch die detaillierte Untersuchung der thermoakustischen Instabilitäten in Wasserstoffbetriebene Gasturbinen können wichtige Erkenntnisse gewonnen werden, die zur Effizienzsteigerung und Sicherheit dieser Technologien beitragen.
