Kompressorfri brintturbin slår NASA-rekord

Når det gælder energiproduktion, har vi i dag en fremtidsvision med solpaneler på jorden, eller måske endda i kredsløb, som omdanner sollys til elektricitet, med til sidst en batteripark til at lagre energi om aftenen.

Men i praksis produceres elektricitet stadig for det meste af massive roterende turbiner, drevet af forbrænding af fossile brændstoffer (gas, kul) eller af dampen, der genereres af varmen fra nukleare reaktioner, eller af vandstrømmen i vandkraftværker. Selvom den en dag kan blive forældet, er denne type installation stadig kernen i vores energisystemer.

En grund er, at ud over at være en velkendt teknologi, har sådanne turbiner fordelen at stabilisere netfrekvensen. Det skyldes, at roterende turbiner naturligt producerer vekselstrøm, som bruges til langdistancetransmission, og turbinenes store masse giver inertial til netfrekvensen. I modsætning hertil producerer solpaneler kun jævnstrøm, uden evne til at stabilisere elnettet.

Dette bliver et stadig vigtigere emne, som illustreret af den faldende stabilitet i elnetfrekvensen, efterhånden som de gamle store roterende generatorer erstattes af solpaneler, et problem der lå i centrum af det massive nedbrud i det iberiske (Spanien + Portugal) elforsyningsnet.

Kerneenergi er dog stadig kontroversiel og langsom at implementere, mens placeringerne til vandkraftværker i mange lande stort set er udtømt. Så hvis vi ønsker pålidelige, til enhver tid aktiverbare turbiner, som også hjælper elnettet, så syntes det, at vi var tvunget til at fortsætte med at bruge naturgas i mange årtier.

Dette kan snart vise sig at være forkert, da forskere ved det tyske Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har sat en rekord i driftstid med en ny kompressorfri turbine drevet af brint. Da grøn brint kan produceres fra vedvarende energi, vil dette åbne vejen til et elnet, der drives af grøn brint, især i perioder hvor solen ikke skinner og vinden ikke blæser nok til at forsyne nettet.

De præsenterede deres resultater på Hannover Messe 2026.

Sådan bruger man brint

Når det gælder at gøre brint til en central del af vores energisystemer, har forskere to forskellige typer af problemer at løse.

Den første er at producere grøn brint billigt nok til at den kan konkurrere med fossile brændstoffer og andre vedvarende energikilder + batterialternativer. Dette er et område, der gør hurtige fremskridt, da blandt forskellige muligheder kan man bruge billigere katalysatorer som silicon carbide, cobalt, nickel, eller a ruthenium, silicon, and tungsten alloy, eller endda coproduce green hydrogen and drinkable water.

Et andet spørgsmål er, hvordan den producerede brint omdannes tilbage til energi. En måde er brændselsceller, som omdanner brinten til elektricitet direkte gennem en elektrokemisk reaktion, like ones produced by Plug Power (PLUG ). Dette er en lovende idé, men kræver ofte dyre katalysatorer og kompleks celledesign.

En anden mulighed, og på en måde enklere, er blot at brænde brinten på samme måde som vi brænder naturgas. Dette kan gøres for køretøjer i en forbrændingsmotor, der ligner en gaskraftmotor, et emne du kan udforske nærmere i vores artikel “5 Hydrogen Combustion Engines Set to Break the Mold”.

Den næste generation af turbiner

 Ineffektiviteten ved traditionelle turbiner

Den teknologi, som forskerne i denne undersøgelse anvendte, kan være særligt nyttig for brintturbiner, men er ikke begrænset til dette specifikke brændstof.

Det grundlæggende koncept er, at traditionelle gasturbiner kræver omkring halvdelen af deres output til luftkompression for at fungere. Det betyder, at de kun opnår en termisk effektivitet på 35 % til 40 %, og 55 %–64 % hvis udstødningsvarmen bruges til at drive en sekundær dampturbine.

“En konventionel gasturbine, såsom dem der bruges i kraftværker eller under flyvinger, forbruger omkring 50 procent af sin kraft til at komprimere luft til det høje tryk, der er nødvendigt for effektiv forbrænding – kraft, der derefter ikke er tilgængelig til elproduktion,”
Professor Daniel Banuti, Director of the Institute of Thermal Energy Technology and Safety (ITES).

Årsagen til, at kompression er påkrævet, er at den bruges til at skabe det nødvendige høje tryk for at antænde brændstoffet.

Detonationer som erstatning for kompression

I dette design erstattede forskerne kompression med detonationbølger inde i forbrændingskammeret.

Disse bølger opstår fra en fluidmekanisk ustabilitet, der skaber mønstre af bølger og hvirvler i gasstrømmen. På den måde omgår man fuldstændigt behovet for energikrævende mekaniske kompressorer. Dette sparer energi, reducerer antallet af bevægelige dele og øger effektiviteten.

En anden fordel er, at denne metode reducerer antallet af bevægelige dele, hvilket altid bidrager til et enklere design og vedligeholdelsesprocesser.

Dette design kan drives med andre brændstoffer end brint, men brint er særligt egnet til detonationsturbiner: den reagerer meget hurtigt og kan producere stabile trykstigninger.

Kompleksiteten ved detonationsturbiner

Udfordringen ved detonationsturbiner ligger i navnet: i stedet for en normal forbrændingsproces eksploderer gassen, der injiceres i turbinen, bogstaveligt talt. Så det kan være svært at holde turbinen i gang uden at beskadige den.

I dette eksperiment lykkedes det forskerne at holde den i gang uden skade i en rekord på 303 sekunder. Selvom det kan lyde kort, er 5 hele minutter i drift meget længere end de tidligere tests, der kun varede brøkdeler af et sekund. Det er også længere end NASAs tidligere rekord på 250 sekunder, som heller ikke brugte brint.

En anden udfordring er at omdanne forbrændingen/detonationerne til elektricitet, da de hurtige og kraftige reaktioner inde i kammeret gør det svært at overføre energi til turbinen på en stabil måde. Og uden stabil overførsel kan man ikke opnå den stabile rotation, der kræves for elproduktion.

“Dette er ekstremt svært, fordi de meget hurtige og intense forbrændingsprocesser i kammeret gør stabil energioverførsel til turbinen udfordrende. Vi er de første, der med succes har drevet en sådan turbine og genereret elektricitet i processen.”
Professor Daniel Banuti, Director of the Institute of Thermal Energy Technology and Safety (ITES).

Potentielle anvendelser

Den vigtigste del af denne prototype er, at den på én gang demonstrerede tre eksperimentelle koncepter:

• At køre en detonationsturbine succesfuldt i flere minutter.
• At bruge brint til at drive den, hvilket demonstrerer, at brints unikke kemiske profil er særligt egnet til dette design.
• At koble detonationerne til elproduktion, hvilket demonstrerer den praktiske anvendelse af prototypen.

Ved at udnytte brint placerer dette design af detonationsturbine sig i en klasse for sig selv, i stedet for at sammenligne det med modne og økonomisk beviste gasturbiner. Dette gør de potentielle svagheder ved detonationsturbiner, nemlig behovet for højt tryk og ekstrem reaktivitet af det anvendte brændstof, til en styrke.

Samtidig positionerer dette teknologien som et fremtidssikret koncept, da det ikke er en type turbine, der vil blive forældet, når fossile brændstoffer udfases.

På længere sigt kan dette have anvendelse ud over elproduktion. Især kan luftfarten bruge lignende turbiner, da andre fossile brændstofdrevne detonationsturbiner allerede testes, notably Ram-Rotor Detonation Engines (RRDE), som kunne blive den tredje generation af flypropulsion, efter turbojet- og ramjetmotorer.

Investering i kraftturbiner

GE Vernova

Når det gælder turbiner, der bruges til elproduktion, har én virksomhed været med fra de første implementeringer af denne teknologi, og er stadig en global leder i dag: General Electric.

Efter opdelingen af det gigantiske industrielle konglomerat i tre separate virksomheder, er den del af virksomheden, der arvede turbine- og elproduktions-teknologien, nu kaldet GE Vernova.

I dag er virksomheden stadig ekspert i alt, der roterer, med 55.000 GE vindturbiner og 7.000 GE gasturbiner i drift. Sammen med mange vand- og atomkraftværker, der også er udstyret med GE-turbiner, genererer de cirka 25 % af verdens samlede elektricitet.

Kilde: GE Vernova

Dette gør GE til en reference for kraftturbiner, ikke kun med gas, men virkelig enhver brændstof- eller energikilde, der kan få dem til at rotere, inklusive gas, damp og vand.

Dette skyldes, at GE’s ekspertise ikke kun ligger i, hvordan man håndterer brændstoffet eller forbrændingen, men også i materialvidenskab for at gøre turbinen så modstandsdygtig og effektiv som muligt, samtidig med at den er billigere og let, med unikke patenter og virtuelle modeller, der skaber en holdbar konkurrencemur.

Som sådan er GE Vernova-turbiner det primære valg for de fleste af verdens største forsyningsselskaber.

Kilde: GE Vernova

Så overgangen til brint er at forvente, og virksomheden vokser allerede i segmenter som brintkompressorer og its own designs of hydrogen turbines med allerede 10 millioner drifts timer registreret, hvilket demonstrerer deres dygtighed i at håndtere dette ofte farlige og vanskelige at udnytte gas.

“Da gasturbiner er iboende fuel-flexible, kan de konfigureres til at køre på grøn brint eller lignende brændstoffer som en ny enhed, eller opgraderes selv efter længere drift på traditionelle brændstoffer. GE Vernovas brede felterfaring gør det muligt for vores ingeniører at forstå virkningen af at bruge brint som gasturbinbrændstof.”

Investorer i GE bør på kort sigt fokusere på de eksisterende vind- og gasturbiner samt vand- og atomturbiner, som udgør størstedelen af virksomhedens forretning i de næste 10 år.

Men muligheden for langsigtet opgradering af eksisterende anlæg til brint gør forretningen iboende robust, sammen med andre teknologier, hvor GE Vernova også investerer meget i F&U, såsom kulstofopsamling, SMR’er, højspændings jævnstrøm (HVDC), energilagring, elektriske ovne, industrielle varmepumper osv.

Seneste nyheder og udviklinger om GE Vernova (GEV) aktien