Praxisbeispiel: Innovation – Turbinenforschung für emissionsfreies Fliegen und die Energieversorgung der Zukunft

Große Turbinen sind derzeit sehr gefragt: Überall auf der Welt und auch in Bayern sollen neue Gaskraftwerke für die Energieversorgung entstehen, die zukünftig mit Wasserstoff betrieben werden sollen. Effiziente Turbomaschinen spielen außerdem eine wichtige Rolle im Verkehrssektor, um Treibstoffverbrauch, Treibhausgasemissionen, Lärm und Abgase in Flugzeugen und im Schiffsverkehr zu senken. Das DLR-Institut für Test und Simulation für Gasturbinen in Augsburg ist ganz vorn dabei, um Turbinen nachhaltig, zukunftsfähig und fit für neue Anforderungen zu machen. Prof. Dr. Sabine Ardey ist seit dem 1. Januar die neue Direktorin des Instituts und kann dieses Jahr mit ihren 50 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern das neue Institutsgebäude im Augsburg Innovationspark beziehen.

Eine Gasturbine ist ein äußerst ungemütlicher Ort: Es ist extrem heiß, es gibt hohe Drehzahlen, hohe Kräfte, hohe Druckverhältnisse, hohe Strömungsgeschwindigkeiten und zahlreiche aggressive Gase. In den Turbomaschinen der Zukunft müssen nachhaltig erzeugte Brennstoffe wie zum Beispiel Wasserstoff, Ammoniak oder SAFs (Sustainable Aviation Fuels) zum Einsatz kommen. Eine zusätzliche Herausforderung für die Bauteile, denn die meisten Materialien reagieren empfindlich auf diese neue Chemie: Wasserstoffversprödung und Wasserdampfkorrosion können die Lebensdauer der Bauteile und Werkstoffe erheblich vermindern. Hier sind innovative Lösungen gefragt: Neue Bauweisen, neue Werkstoffe, neue Fertigungsverfahren (z.B. 3D-Druck) und neue Bewertungsverfahren. Wie Gasturbinen und ihre Komponenten und Materialien diese Belastungen im Langzeitbetrieb verkraften und wie sie optimiert werden können, berechnet und prüft das DLR-Institut für Test und Simulationen für Gasturbinen.

In dem neuen Institutsgebäude sollen künftig Werkstoffe, Bauteile und Gasturbinenkomponenten geprüft und mithilfe von Simulationsrechnungen als „Virtuelles Triebwerk“ berechnet werden. Aktuell entwickeln die Forschenden numerische Methoden und Modelle, die mit Hilfe digitaler Ontologien direkt mit den untersuchten Objekten, ihrem virtuellen Zwilling und den Echtzeit-Daten der Versuche verknüpft werden. Eine digitale Innovation, die auch andere komplexe IT-Prozesse in Industrieprozessen wie z.B. das Zusammenführen von Nachhaltigkeits- und Produktionsdaten revolutionieren könnte. Beim DLR lassen sich damit die komplexen Triebwerkskomponenten, Prozesse sowie Anforderungen digital abbilden.

Weltweit einzigartige Prüfmöglichkeiten

Parallel dazu werden am DLR einzigartige Prüfstände entwickelt. Die Ergebnisse der Modell-Simulationen lassen sich dann in Versuchen unter Realbedingungen validieren. Zum Neubau gehört zum Beispiel das sogenannte MTC-Prüfzentrum. Weltweit zum ersten Mal wird das Institut damit in der Lage sein, Werkstoffe turbomaschinentypisch gleichzeitig unter mechanischen, thermischen und chemischen Lasten (Abgas) zu prüfen.

Bislang befinden sich die Prüfstände des Instituts im Technologiezentrum Augsburg. Im August startet der Umzug ins neue Gebäude im Augsburg Innovationspark: Das viergeschossige Bürogebäude einschließlich Labore sowie eine große Versuchshalle mit Infrastruktur für die Prüfstände steht kurz vor der Fertigstellung. Der Freistaat Bayern unterstützt wesentlich bei der Baumaßnahme mit einer Förderung von 15,3 Millionen Euro sowie bei der wissenschaftlichen Ausstattung des Instituts mit einem weiteren Betrag von 5,8 Millionen Euro.