10.10.2026
Forschung
Wenn Sonne und Wind nicht ausreichen, um den Energiebedarf zu decken, springen Gasturbinen ein: Sie verbrennen Erdgas, um auf diese Weise Strom zu erzeugen. „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 Raumfahrt (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 vom Institut für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt Hampp deshalb einen im 3D-Druck hergestellten Injektor für kompakte Gasturbinen. Die Technologie soll die Herstellungskosten senken und zugleich die Nutzung verschiedener Energieträger ermöglichen – von Wasserstoff über eFuels bis hin zu herkömmlichen Brennstoffen. Ziel ist eine möglichst schadstoffarme Verbrennung. Im Projekt AMFlexInj (Additiv gefertigte Mikro-Injektionskonzepte als Enabler für brennstoffflexible und emissionsarme Verbrennungssysteme) wird das neue Verfahren die breite Anwendung erprobt.
Technologie aus Flugzeugturbinen ermöglicht ruß- und stickoxidarme Verbrennung
Bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe können Schadstoffe wie Ruß und Stickoxide entstehen. Da sie umwelt- und gesundheitsschädlich sind, müssen sie möglichst reduziert werden. „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 Gemisch erzeugen.“
Deswegen konnten Injektoren für kleine Turbinen bislang nicht im 3D-Druck hergestellt werden. 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 Forschenden ist es gelungen, ein Einspritzsystem zu entwickeln, das trotz der Rauhheit der 3D-gedruckten Komponenten funktioniert. Dabei konnten sie ein aus Flugzeugturbinen bekanntes Funktionsprinzip erstmals stark verkleinern und für kompakte Gasturbinen anpassen. „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 Einspritz-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.
(Quelle: Universität Stuttgart)
Schlagworte
3D-DruckAdditive FertigungBrennstoffeEFuelsGasturbinenInjektorLaser Powder Bed FusionMetallpulverVerbrennungstechnikWasserstoff
