Bestehende Brenner, Kessel und Turbinen auf Wasserstoff oder Wasserstoffbeimischungen umzustellen ist zu einer häufigen Ingenieurfrage geworden. Wasserstoff unterscheidet sich in einigen kritischen Eigenschaften deutlich von Erdgas, und diese Unterschiede wirken unmittelbar auf die Auslegungsannahmen.
Die Flammengeschwindigkeit ist viel höher
Die laminare Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff beträgt ein Mehrfaches der von Methan. Die unmittelbare Folge:
Rückschlaggefahr. In einem Vormischbrenner kann die Flamme gegen die Strömung stromauf wandern und in den Mischbereich eindringen. Eine Kanalgeschwindigkeit, die für Erdgas sicher ist, muss es für Wasserstoff nicht sein. Das ist die handfesteste Einschränkung bei der Umstellung auf Wasserstoff.
Die Flammentemperatur ist höher
Eine höhere stöchiometrische Flammentemperatur bedeutet zweierlei: Die Wandwärmestromdichten steigen, und das thermische NOx steigt exponentiell. Abmagern senkt die Temperatur, verengt aber die Stabilitätsreserve. Siehe die Notiz zu NOx und die Notiz zur Flammenstabilität.
Die Dichte ist sehr gering
Dieselbe Energie zu transportieren erfordert einen weit größeren Volumenstrom. Vorhandene Brennstoffleitungen, Armaturen und Einspritzdüsen sind auf Erdgasvolumina ausgelegt; mit Wasserstoff sind dieselben Leitungen unterdimensioniert oder der Druckverlust wird unannehmbar.
Die geringe Dichte bedeutet auch, dass das Gas bei einer Leckage rasch aufsteigt und sich unter der Decke sammelt — die Lüftungsauslegung muss das berücksichtigen, und das ist ein Problem der natürlichen Konvektion und Ausbreitung.
Der Strahlungscharakter ist ein anderer
Eine Wasserstoffflamme erzeugt keinen Ruß, und Wasserdampf ist der beherrschende Strahler. Die zur Wand gelangende Strahlung hat eine andere spektrale Struktur als die einer Kohlenwasserstoffflamme; ein für Kohlenwasserstoffe kalibrierter Grauer-Gas-Ansatz erzeugt mit Wasserstoff einen systematischen Fehler [1]. Siehe die Notiz zur Wärmestrahlung.
Eine Warnung zur Modellierung
Die hohe Diffusivität von Wasserstoff erzeugt Effekte bevorzugter Diffusion: Der örtliche Mischungsbruch weicht von dem ab, was eine einfache Mischungsbruchannahme vorhersagt. Mischungsbasierte Verbrennungsmodelle erfordern mit Wasserstoff deshalb mehr Sorgfalt.
Referenzen
- Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.