.

Abb. 3: Montage einer Gasturbine.
© Alstom Deutschland AG

Abb. 4: Pulverbeschichtung für Turbinenschaufeln.
© Siemens Pressebild

Abb. 5: Keramisch beschichtete Turbinenschaufeln.
© Siemens Pressebild

Abb. 6: Schnitt durch eine Gasturbine.
© Siemens Pressebild

Abb. 7: Entwicklung des Wirkungsgrades kombinierter Gas- und Dampfturbinenprozesse.
© BINE Informationsdienst
3 / 13

Kombikraftwerke mit Erdgas

Erdgas verursacht von allen fossilen Energieträgern die niedrigsten spezifischen CO2-Emissionen. Kombikraftwerke mit Erdgas (Gas- und Dampfkraftwerke – GuD) erreichen den höchsten Wirkungsgrad aller fossil befeuerten Kraftwerke. Sie lassen sich innerhalb des Stromverbundes sehr flexibel einsetzen und bieten sich damit für das Zusammenwirken mit der fluktuierenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien an. Diesen technologischen Stärken stehen allerdings Grenzen in Bezug auf die volkswirtschaftliche Abhängigkeit und die Infrastrukur von Erdgas gegenüber.

In einem Gas-Kombikraftwerk ist eine Gasturbine mit Dampfturbinen zusammengeschaltet. Nach dem Durchströmen der Gasturbine wird die noch vorhandene Wärme des Abgases über einen Wärmetauscher ausgekoppelt, um einen Dampfprozess zu betreiben. Das Herzstück dieses Kraftwerks ist die Gasturbine mit einem Verdichter, in den Umgebungsluft angesaugt und bis auf einen Druck von 20 bis 30 bar verdichtet wird. In die Brennkammer zugeführtes Erdgas wird mit dieser komprimierten Luft bei Temperaturen von bis zu 1.500 °C verbrannt. Das heiße Abgas wird dann in der Gasturbine bis auf Umgebungsdruck entspannt und verrichtet dabei Arbeit, die teilweise zum Antrieb des Verdichters, überwiegend aber für den Generator benutzt wird. In Gas-Kombikraftwerken muss das Abgas nach der Passage der Gasturbine noch eine Temperatur von über 600 °C aufweisen, um einen wirtschaftlichen Dampfprozess zu gewährleisten. Es wird dann durch einen Abhitzekessel (Wärmetauscher) geführt, bevor es über einen Schornstein in die Umgebung abgegeben wird. Der Abhitzekessel erzeugt auf fast 200 bar verdichteten Dampf, der dann über eine Dampfturbine entspannt und in einem Kondensator wieder verflüssigt wird. Das gesammelte Wasser wird wieder auf Druck gepumpt und dem Abhitzekessel erneut zugeführt. So entsteht ein geschlossener Wasser/Dampfkreislauf.

Herzstück Gasturbine

Auf die Gasturbine kommt es an. Mit ihr werden ca. zwei Drittel der elektrischen Leistung erzeugt, mit den Dampfturbinen ein Drittel. Da die Abgaswerte einer modernen, großen Gasturbine bei einer Temperatur von ca. 600 °C und Umgebungsdruck mehr oder weniger fest liegen, lässt sich die Performance des Gesamtprozesses fast nur über die Anhebung der Verbrennungstemperatur, und damit der Gaseintrittstemperatur, sowie die entsprechende Erhöhung des Verdichterenddrucks verbessern.

Heutige moderne Gas-Kombikraftwerke zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade aus. Die CO2-Emissionen (350 g/kWh) liegen deutlich unter denen von modernen Kohlekraftwerken (750 – 930 g/kWh). Mit speziellen, synthetisch hergestellten wasserstoffreichen Gasen als Brennstoff oder auch Biogas lassen sich die CO2-Emissionen noch weiter absenken. Zugleich ist dies eine Option der Stromspeicherung.

Gegenüber Kohlekraftwerken sprechen geringere Investitionskosten für die Gas-Kombikraftwerke. Allerdings liegen die Betriebskosten höher, da der Brennstoff Gas teurer ist als Kohle. Damit eignen sich Gas-Kombikraftwerke für die Ausregelung der schwankenden Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien. Dafür spricht auch, dass Gasturbinen in sehr kurzer Zeit aus dem kalten Zustand auf Volllast hochgefahren und flexibel bei Teillast betrieben werden können.

Leistungsklassen und CO2-Abtrennung

Im Kraftwerkspark bieten Gasturbinen viele Möglichkeiten. Durch Parallelschalten mehrerer Standardeinheiten von ca. 500 MW (Gasturbine und Dampfturbine kombiniert) lassen sich Großkraftwerke mit mehreren Gigawatt realisieren. Andererseits sind auch Kleinkraftwerke mit 100MW mehr oder weniger wirtschaftlich, insbesondere im Rahmen von Konzepten der Kraft-Wärmekopplung. Der emissionsarme Brennstoff Erdgas lässt auch wohnortnahe Standorte für diese Anlagen zu.

Prinzipiell lassen sich in Gas-Kombikraftwerken die vergleichsweise geringen CO2-Anteile des Abgases mit den üblichen Waschverfahren abtrennen. Aber das ist im Vergleich zu Kohlekraftwerken in mehrfacher Hinsicht unwirtschaftlich. Es würde zu einem etwa 20%igen Mehrverbrauch von Erdgas führen, die Investitionskosten stiegen und die Regelfähigkeit nähme ab. Eine Abtrennung ist nur effizient und wirtschaftlich, wenn Gas-Kombikraftwerke in der Grundlast betrieben werden. In Kombination mit erneuerbaren Energien bietet sich der Einsatz wasserstoffreicher Brenngase, die mit überschüssigem Strom erzeugtwerden können, als alternativer Weg zum besseren Klimaschutz an. Auch Kraftwerke mit Kohlevergasung (mit CO2-Abscheidung, z. B. das IGCC) können wasserstoffhaltige Gase bereitstellen.

Zukünftig bedeutet die Integration wachsender Strommengen ausWindenergie und Solarkraft eine erhebliche Herausforderung für den fossilen Kraftwerkspark und die Stromnetze. Gerade in Frühjahr und Herbst werden aus der Windenergie Stromüberschüsse anfallen, die zur Deckung sommerlicher Bedarfsspitzen interessant sein könnten. Die bisherigen Stromspeicher (Pumpspeicher- Kraftwerke, Druckluft, Wärme) können derartige Energiemengen nicht aufnehmen. Wird aus überschüssigem Strom wasserstoffreiches Brenngas erzeugt und in unterirdischen Gasspeichern bis zur Nutzung in einem Kraftwerk gelagert, dann könnte erneuerbarer Strom unabhängiger von Tages- und Jahreszeiten genutzt werden.

Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte

Bei der künftigen Entwicklung stehen weitere Steigerungen von Effizienz, Lastflexibilität und Brennstoffflexibilität – überwiegend bei der Gasturbine – im Vordergrund.

Eine höhere Effizienz wird in erster Linie eine Anhebung der Verbrennungs- und der Gaseintrittstemperatur in die Turbine erfordern. Seit neue Werkstoffe und Bauweisen im Hochdruckteil der Gasturbine verwendet werden, erreichen Gas-Kombikraftwerke mittlerweile einen Wirkungsgrad von über 60%. Eine weitere Steigerung bis auf 63% in den nächsten Jahren ist in Reichweite. Wichtige Ansätze hierbei sind die Entwicklung leistungsfähigerer Beschichtungen und effiziente Kühlkonzepte für die Turbinen.

Bei Lastflexibilität geht es zum einen um hohe Teillastwirkungsgrade und zum anderen um das Lastfolgeverhalten, also die Realisierung schneller Laständerungen bis hin zu schnellen Anfahr- und Abfahrvorgängen. Hohe Teillastwirkungsgrade hängen in erster Linie von der Aerodynamik des Verdichters ab, d. h., die Verdichter sollen über immer aufwendigere Berechnungsverfahren so gestaltet werden, dass sie in einem weiten Arbeitsbereich stabil sind und dennoch einen hohen Wirkungsgrad behalten. Ziel der Untersuchung des Lastfolgeverhaltens ist, die thermisch bedingte Ungleichverteilung der Temperaturen in Gehäuse und Rotor der Gasturbine durch weiter verbesserte Berechnungsverfahren in ihrer Auswirkung auf die Ausdehnung und die Lebensdauer besser zu verstehen und Bauweisen dementsprechend zu gestalten.

Brennstoffflexibilität ist ein Thema der Brenner- und Brennkammerbauweise. Auch bei immer weiter zunehmender Energiedichte in der Brennkammer durch gesteigerte Verbrennungstemperaturen muss die Verbrennung dennoch stabil und schadstoffarm bleiben. Dabei ist die Brennstoffzusammensetzung ein wichtiger Parameter. Für eine höhere Brennstoffflexibilität, benötigtman aufwendige Versuche und sehr rechenzeitintensive Strömungsberechnungsverfahren für reagierende Strömungen.

Merkzettel

BINE-Abo

Publikation abonnieren

Mehr von BINE

Hochtemperatur-Supraleiter
BINE-Projektinfo 06/2010

Stromqualität – Netzintegration dezentraler Stromerzeuger
BINE-Projektinfo 02/2008

Kohlendioxid abtrennen und lagern
BINE-Projektinfo 12/2007

Kraftwerke mit Kohlenverbrennung
BINE-Projektinfo 06/2007

Druckluftspeicher-Kraftwerke
BINE-Projektinfo 05/2007

Kraftwerke mit Kohlenvergasung
BINE-Projektinfo 09/2006

Kinetische Speicherung von Elektrizität
BINE-Projektinfo 11/2003

Forschungsförderung

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