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Eine einhäusige Industrie-Dampfturbine zur Stromerzeugung mit einer Leistung von 80 MW.
© MAN Diesel & Turbo SE
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Wechselnde Energieträger effizient verbrennen

Ein Arbeiten unter Teillast und häufigere Lastwechsel bedeuten für die Verbrennung in einer Gasturbine, dass der Massenstrom des Brenngases und der Wirkungsgrad bei nahezu gleich hoher Temperatur in der Brennkammer sinken. Auch unerwünschte thermoakustische Phänomene treten häufiger auf. Dabei gehen die Schwingungen der Verbrennung auf die Brennkammer über, führen so zu vorzeitiger Materialermüdung und verursachen Lärm. Ein weiterer Belastungsfaktor sind die raschen Temperaturwechsel.

Ziele der sieben Projekte im Teilbereich „Verbrennen“ sind, ein neues System zur Verbrennungsabstufung zu entwickeln sowie Gasturbinen mit höheren Reserven gegen thermische Belastungen und thermoakustische Phänomene auszustatten. Damit soll auch eine kurzzeitige Überlastung möglich werden, wenn die Turbine zur schnellen Frequenzstabilisierung im Stromnetz außerhalb ihrer Auslegungsparameter arbeitet. Gleichzeitig müssen Brennkammern so ausgelegt werden, dass sie mit verschiedenen gasförmigen und flüssigen Energieträgern funktionieren. Besonders wichtig ist, künftig auch Brenngase mit einem variablen Wasserstoffgehalt verarbeiten zu können. Eine so aufgerüstete flexible Gasturbine stellt eine Schlüsselkomponente für Power-to-X-Konzepte dar.

Kühlen: Jenseits des Schmelzpunkts arbeiten

Zu den heutigen, hohen Wirkungsgraden von Turbinen haben maßgeblich die in der Vergangenheit angehobenen Turbineneintrittstemperaturen beigetragen. Mittlerweile liegt die Temperatur des Gases deutlich über dem Schmelzpunkt der hochwarmfesten, metallischen Werkstoffe der Schaufeln. Keramische Beschichtungen sowie ausgeklügelte Kühlsysteme für Komponenten machen das möglich. Die Luft durchströmt die Bauteile, tritt durch Spalten und Poren aus und legt sich als schützender Film über besonders beanspruchte Teile. Der Kühlluftbedarf senkt jedoch den Wirkungsgrad der Gesamtanlage und soll daher möglichst niedrig sein.

In 19 Forschungsprojekten im Teilbereich „Kühlen“ geht es u. a. um ein besseres Verständnis der komplexen Strömungen in den Hohlräumen der Turbine, eine wirksamere Abdichtung der verschiedenen Schaufelsysteme und einen höheren Schutz von Rotorwelle und Lagern gegen Heißgaseinbrüche. Ein weiterer Ansatz zur Optimierung ist, Bauteile im 3-D-Druckverfahren mittels Lasersintern zu fertigen. Das Verfahren würde komplexere und effizientere innere Bauteilstrukturen für neue Kühlsysteme ermöglichen. Weiterhin untersuchen die Forscher, welche Möglichkeiten Bauteile aus keramischen Faserverbundwerkstoffen bieten.

Expansion: Wo sich Energie entfaltet

Die Effizienz der Expansion hängt u. a. davon ab, dass der heiße Dampf (Dampfturbine) bzw. das heiße Gas aus der Brennkammer (Gasturbine) unter hohem Druck möglichst präzise auf die in mehreren Reihen hintereinander angeordneten Schaufelreihen strömt. Dabei wird das strömende Gas durch Einbauten im Gehäuse und auf der Welle in Richtung und Geschwindigkeit gelenkt. Bei den 38 Projekten zu Gas-, Dampf- und Industriegasturbinen im Teilbereich „Expansion“ stehen zwei Aspekte im Vordergrund: Das Entwicklungstempo zu beschleunigen und die neuen Technologien zügiger bei Bestandsanlagen zum Einsatz zu bringen.

Für die künftigen Netzanforderungen ist ein besseres Verständnis der instationären Vorgänge und der Wechselwirkungen zwischen Strömung und Komponenten erforderlich. Weitere Themen sind die Entwicklung kleinerer, dezentral einsetzbarer Turbinen für die Kraft-Wärme-Kopplung. Diese lassen sich mit vorhandenen kommunalen und industriellen Anlagen vernetzen und zu einem smarten Netz ausbauen. Auch geothermische und solarthermische Kraftwerke nutzen und benötigen optimierte Aggregate.

Merkzettel

Adressen

Projektleitung
AG TURBO

BINE-Projektinfo 07/2017
(PDF, 4 Seiten, 434 kB)

Links

Forschungsnetzwerk Flexible Energieumwandlung
Webseite des vom BMWi geförderten Netzwerks

KraftwerkForschung
Aktuelle Meldungen und Hintergrundberichte aus der Forschung zu Kraftwerken

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.