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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Mit dem Forschungsprogramm ECOFLEX-turbo schafft die Turbinenforschung die Grundlagen, konventionelle Kraftwerke für ein Stromnetz mit 80 % erneuerbarem Strom weiterzuentwickeln.
© Siemens AG
Konventionelle Kraftwerke
Projektinfo 07/2017

Seit 1975 haben sich bei Kraftwerken mit Gas- und Dampfturbinen (GuD) der Wirkungsgrad (η ), die Startzeiten und die maximale Zyklenfestigkeit erheblich verbessert.
© AG Turbo

Computermodell einer Turbinenschaufel mit Temperaturverteilung (Blau = niedrige Temperatur; rot = hohe Temperatur).
© Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co. KG

Gasturbine mit den Sektoren Verdichtung, Verbrennung und Expansion
© Siemens AG
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Flexible Turbomaschinen stabilisieren das Stromnetz

Künftig müssen konventionelle Kraftwerke flexibler werden, um die schwankende Stromerzeugung der Erneuerbaren auszugleichen. Das erfordert modifizierte Gas- und Dampfturbinen. Diese müssen häufiger unter Teillast arbeiten, mehr An- und Abfahrzyklen überstehen und mit wechselnden Brennstoffen funktionieren. Die AG Turbo hat für diese neuen Rahmenbedingungen die Forschungs- und Entwicklungsziele im Programm ECOFLEX-turbo zusammengestellt.

In thermischen Kraftwerken entziehen Dampfturbinen dem heißen Wasserdampf und Gasturbinen dem Heißgas Energie. Sie sind das Herzstück der Kraftwerke und ihr technisches Leistungsvermögen entscheidet wesentlich über Energieeffizienz, Einsatzprofil und Emissionswerte der Gesamtanlage. Turbinen wandeln die aufgenommene Energie mittels Generatoren in elektrischen Strom um. Gas- und Dampfturbinen sind bisher so ausgelegt, dass sie möglichst ohne plötzliche An- und Abschaltvorgänge und unter Volllast laufen sollen. Das begrenzt den Materialverschleiß. Im künftigen Stromnetz übernehmen konventionelle Kraftwerke aber neue Aufgaben. Sie sollen in erster Linie die schwankende Stromerzeugung der Windenergie- und Photovoltaikanlagen ausgleichen, um ein stabiles Netz zu gewährleisten. Das ist nur mit weiterentwickelten Turbinen möglich. Die müssen robuster, besser auf Teillastbetrieb, größere Frequenzschwankungen im Netz und wechselnde Brennstoffe ausgelegt werden. Gleichzeitig soll es bei Effizienz und Emissionen keine Rückschritte gegenüber heute geben.

Das aktuelle Forschungsprogramm ECOFLEX-turbo der AG Turbo listet unter den neuen Rahmenbedingungen im Netz die Entwicklungsziele der Turbinenforschung bis 2022 in über 100 Projekten auf. Seit mehr als 30 Jahren arbeiten in der AG die führenden deutschen Turbinenhersteller und über 20 Universitätsinstitute, auf die mehr als zwei Drittel der geförderten Projekte entfallen, zusammen, um vorwettbewerblich grundlegende Fragestellungen gemeinsam zu erforschen. Dabei geht es sowohl um Neuanlagen als auch um die nachträgliche Ertüchtigung bestehender Turbinen. Bei Turbomaschinen gehören deutsche Hersteller auf dem Weltmarkt zu den führenden Anbietern mit einem Marktanteil von ca. 30%.

Den Turbo zünden

Turbomaschinen stecken in Kraftwerken, Flugzeugen und in Pipelines zum Transport von Gasen. Am Beispiel einer Gasturbine lässt sich der Aufbau vereinfacht beschreiben. Es gibt drei Sektoren: den Verdichter (Komprimierung der angesaugten Luft), die Brennkammern (hier zündet das Gemisch aus Brennstoff und Luft) und die Expansion, auch Turbine genannt (hierin dehnt sich das heiße, unter Überdruck stehende Gas aus). Das Gas durchströmt die hintereinander angeordneten Schaufelräder, baut dabei Druck ab und überträgt Leistung vom Heißgas auf die rotierende Turbomaschine. Ein Teil dieser Leistung (ca. 40–50%) wird zum Antrieb des Verdichters benötigt und der Rest wird beispielsweise in Kraftwerken genutzt, um Stromgeneratoren anzutreiben. Der Wirkungsgrad einer Turbine steigt mit höherem Druck im Verdichter und einer höheren Temperatur bei Eintritt des Gases in die Expansion. Abb. 1 zeigt die Entwicklung der Leistungsdaten seit 1985.

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Teillast fordert Turbinen anders

Wenn bisher eine Turbine über längere Zeit unter Teillast oder Unterfrequenz arbeiten muss, gerät sie in den Randbereich ihres Auslegungsdesigns und überschreitet dieses phasenweise. Jeder dieser Vorfälle verkürzt die Lebensdauer der Komponenten. Auftretende Probleme sind beispielsweise unerwünschte Schwingungen und Vibrationen der Schaufeln, thermoakustische Phänomene und Störungen im Verdichter. Weiterhin nimmt die Effizienz der Anlage unter Teillast ab.

Künftig werden Turbinen häufiger unter Teillast arbeiten, schneller an- und abfahren und bei Netzfrequenzeinbrüchen das Leistungsdefizit in Bruchteilen von Sekunden ausgleichen müssen, je nachdem, wie es das Stromnetz erfordert. Dabei müssen sie sich trotz dieser Betriebsweise noch wirtschaftlich rechnen. Sie laufen dann auf Dauer in Betriebszuständen, die sie bisher beim An- und Abfahren möglichst zügig durcheilt haben. Dafür müssen Verdichter und Brennkammern robuster ausgelegt werden, um der wachsenden Zahl der Startvorgänge, Lastwechsel und Betriebszyklen standhalten zu können. Es werden u. a. neue Computerprogramme zur Analyse, Auslegung und dynamischen Simulation benötigt. Die Forscher möchten das reale Betriebsverhalten exakter vorausberechnen. Die Modelle sollen auch helfen, das Design von Komponenten und die Auslegungsverfahren zu verbessern. Damit reduzieren sie die zeitaufwendigen und teuren Experimente und Prototypen und ermöglichen ein gezielteres Arbeiten auf Testständen. Ziel ist, dass die Turbinen möglichst unter 50%-Teillast sowie bei zyklischer Betriebsweise einen gleich hohen Wirkungsgrad erreichen wie unter Volllast.

Überschüssiger Strom aus Windenergie- und Photovoltaikanlagen kann zur Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt werden, um diesen beispielsweise dem Erdgas beizumischen. Die Turbinen müssen daher künftig einem Erdgas mit einem auf mindestens 10% erhöhten Wasserstoffanteil gewachsen sein.

Das Programm ECOFLEX-turbo gliedert sich entlang der vier Teilbereiche: Verdichten, Verbrennen, Kühlen und die Expansion (Turbine).

Der Verdichter macht den Druck

Verdichter sollen in Zukunft hohe Wirkungsgrade nicht nur bei Spitzenlast erbringen, sondern über einen möglichst breiten Arbeitsbereich ein stabiles Betriebsverhalten zeigen. Damit Turbinen künftig höhere Zyklen absolvieren können, müssen die Schadensmechanismen für einzelne Bauteile detaillierter erforscht werden. Daten bilden die Grundlage für eine bessere Modellbildung und leistungsfähigere Simulationsprogramme, die Lebensdauer verlängernde Maßnahmen ermöglichen. Ziele sind kürzere Entwicklungszeiten und komplexere Geometrien. Dabei wird die probabilistische Herangehensweise wichtiger. Mit ihr werden Komponenten auf Basis gesicherter Daten aus Modellen und Experimenten gezielt auf eine Mindestanzahl von z. B. Last- und Temperaturwechseln ausgelegt.

Weiterhin möchten die Forscher das tatsächliche Strömungsverhalten und die im Teillastbetrieb erhöhten Schwingungsamplituden zuverlässiger vorhersagen sowie neue Möglichkeiten der Strömungsführung und Schwingungsdämpfung erproben. Damit lassen sich dann die Verlustquellen bestimmen und reduzieren. ECOFLEX-turbo umfasst im Teilbereich „Verdichten“ 30 Vorhaben.

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.