«Бескомпрессорная» водородная турбина установила двойной рекорд

Горелка KIT, оснащенная технологией сжигания с усилением давления, проработала 303 секунды, побив рекорд НАСА и установив новые стандарты использования водорода.

Последние достижения в области декарбонизации теплоэлектростанций и тяжелого транспорта исходят от Технологического института Карлсруэ (KIT), немецкого университета и известного национального исследовательского центра. Вот, собственно, группа исследователей из Института теплоэнергетических технологий и безопасности разработала новую водородную газовую турбину без осевого компрессора. И после серии оптимизаций ему удалось не только заставить его работать более пяти минут (опередив НАСА, которое с помощью аналогичной технологии достигло автономности в 250 секунд), но и генерировать электроэнергию.

В постоянном стремлении к декарбонизации водород, особенно тот, который производится с использованием технологий с нулевым уровнем выбросов, играет роль стратегического вектора во всех тех секторах, где электрификация потребления не является устойчивым вариантом. Прямое использование H2 в двигателях внутреннего сгорания привлекает определенное внимание как на академическом, так и на промышленном уровне, о чем свидетельствуют Ansaldo Energia, Siemens Energy или Mitsubishi Power, и это лишь некоторые из них.

Однако в проекте, созданном в лабораториях КИТ, есть что-то уникальное.

В обычных газовых турбинах компрессор является важным элементом. Фактически, для производства энергии турбины непрерывно всасывают воздух, сжимают его, смешивают с топливом и сжигают смесь. Проблема»? Почти половина вырабатываемой энергии используется для вращения компрессора. Кроме того, это особо сложные и тяжелые машины.

Ученые KIT искали подход, который мог бы повысить эффективность при уменьшении количества движущихся частей. Именно здесь в игру вступает процесс сгорания с усилением давления — технология, которая создает высокое давление с помощью детонационных волн внутри камеры сгорания.

«Эти волны возникают из-за гидромеханической нестабильности – структуры волн и вихрей в потоке – совершенно без механических компрессоров»— поясняет немецкий университет в пресс-релизе.

В отличие от того, что происходит с циклом Брайтона, используемым в традиционных газовых турбинах, с Сгорание с усилением давления (PGC) горение происходит чрезвычайно быстро за счет ударных или детонационных волн в замкнутом пространстве. А поскольку газ при сгорании не успевает расшириться, давление резко возрастает. Система позволяет повысить эффективность, но также создает ряд проблем. Достаточно сказать, что при детонации температура фронта волны может мгновенно превысить 2500°С, что значительно превышает температуру плавления самых современных металлических сплавов.

За проектом KIT стоят годы работы. И если предыдущие испытания длились лишь доли секунды именно для того, чтобы избежать расплавления камер сгорания, то теперь команде КИТ удалось продлить время работы новой водородной турбины без осевого компрессора за пределы пяти минут.

Технология, очевидно, не связана с водородом, но команда отдает ей предпочтение, поскольку H2 реагирует чрезвычайно быстро и позволяет стабильно повышать давление. Команда также преодолела вторую веху, выработав электроэнергию. «Это чрезвычайно сложный шаг, поскольку очень быстрые и интенсивные процессы сгорания в камере затрудняют стабильную передачу энергии на турбину. Мы первые, кто успешно эксплуатирует турбину такого типа и вырабатывает при этом электроэнергию», объясняет профессор Даниэль Банути, директор института.

Это достижение открывает путь к созданию более легких, более экономичных и высокоэффективных турбин для производства энергии, а в будущем и для авиации. Исследователи представят свою инновационную бескомпрессорную водородную турбину на следующей Ганноверской выставке, которая пройдет с 20 по 24 апреля 2026 года, на стенде KIT.