Bereits Kunde? Jetzt einloggen.
Lesezeit ca. 7 Min.

Titel: Mehr als eine Brücke


neue energie - epaper ⋅ Ausgabe 3/2019 vom 07.03.2019

Gaskraftwerke werden eine Schlüsselrolle für die zukünftige Energieversorgung spielen. Forscher arbeiten deshalb daran,Flexibilität undEffizienz der Anlagen zu steigern und sie tauglich fürklimafreundliche Brennstoffe wie Wasserstoff zu machen.


CO2-Ausstoß je erzeugter Kilowattstunde:

Erdgas: 369 Gramm

Steinkohle: 899 Gramm

Braunkohle: 1158 Gramm

Quelle: Umweltbundesamt

60,4 Prozent: Mit diesem Wirkungsgrad zählt das Gaskraftwerk Irsching 4 an der bayerischen Donau mit 561 Megawatt Leistung zu den weltweit effizientesten Anlagen seiner Art. Doch es spielt seine technologische Spitzenstellung nicht ...

Artikelbild für den Artikel "Titel: Mehr als eine Brücke" aus der Ausgabe 3/2019 von neue energie. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: neue energie, Ausgabe 3/2019

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 5,99€
NEWS 14 Tage gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von neue energie. Alle Rechte vorbehalten.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 3/2019 von Bild des Monats: Fotograf: Paul Langrock. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Bild des Monats: Fotograf: Paul Langrock
Titelbild der Ausgabe 3/2019 von Deutschland: Interview: „Alles andere ist Klimapolitik von gestern“. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Deutschland: Interview: „Alles andere ist Klimapolitik von gestern“
Titelbild der Ausgabe 3/2019 von Deutschland: Schulzes Showdown. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Deutschland: Schulzes Showdown
Titelbild der Ausgabe 3/2019 von Deutschland: Interview des Monats: „Eine sehr heterogene Debatte über den Ausbau der Erneuerbaren ist nicht hilfreich“. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Deutschland: Interview des Monats: „Eine sehr heterogene Debatte über den Ausbau der Erneuerbaren ist nicht hilfreich“
Titelbild der Ausgabe 3/2019 von Kolumne: Gastbeitrag: Klimaschutz muss ernsthaft auf die Agenda. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Kolumne: Gastbeitrag: Klimaschutz muss ernsthaft auf die Agenda
Titelbild der Ausgabe 3/2019 von Weltweit weniger Schmetterlinge, Bienen und Käfer. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Weltweit weniger Schmetterlinge, Bienen und Käfer
Vorheriger Artikel
Interview: „Unser Kraftwerk folgt exakt der Logik der Energ…
aus dieser Ausgabe
Nächster Artikel Interview: „Änderungen bitte nicht im Halbjahresrhythm…
aus dieser Ausgabe

60,4 Prozent: Mit diesem Wirkungsgrad zählt das Gaskraftwerk Irsching 4 an der bayerischen Donau mit 561 Megawatt Leistung zu den weltweit effizientesten Anlagen seiner Art. Doch es spielt seine technologische Spitzenstellung nicht aus. Heute zählt Irsching 4 lediglich zur Netzreserve. Es läuft nur, wenn das Stromnetz nach stabilisierender Leistung verlangt. Der Grund: Ein Volllastbetrieb rechnet sich bei den geringen Börsenstrompreisen schlicht nicht.

Mikrogasturbinen im Blick: Forscher vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt arbeiten an besonders flexiblen Kleinkraftwerken.


„Der Übergang von Erdgas zu grünem Wasserstoff wird nicht an der Turbinentechnologie scheitern“, sagt Thomas Thiemann, Leiter Forschung und Entwicklung Dampfturbinen beim Kraftwerksbauer Siemens. Schon heute sei eine Wasserstoff-Beimischung von fünf Prozent für Gaskraftwerke machbar, vereinzelt sogar bis zu zehn Prozent. Für größere Anteile muss allerdings das Verbrennungssystem angepasst werden, da Wasserstoff bei höheren Temperaturen eine andere Verbrennungscharakteristik zeigt als Erdgas. Auch die Regelung muss angepasst werden, weil Wasserstoff unter gleichen Druck- und Temperaturbedingungen nur ein Drittel des Energieinhalts von Erdgas aufweist. Wichtig ist auch, die Stickoxid-Rate gering zu halten, trotz der hohen Brenntemperaturen. „Daran arbeiten wir derzeit intensiv“, sagt Thiemann. Die übrigen Teile einer Gasturbine können weiterhin genutzt werden. Nachrüstungen bestehender Kraftwerke wären also möglich. „Die Beimischung von Wasserstoff ist ein sehr wichtiges Thema für Siemens“, resümiert Thiemann.

Und nicht nur dort. Alle europäischen Turbinenbauer wollen ihre neuen Anlagen spätestens ab 2030 so auslegen, dass sie sich zu 100 Prozent mit Wasserstoff befeuern lassen. Siemens bietet schon heute kleinere Anlagen mit 25 Megawatt Leistung an, deren Brennkammern bis zu 60 Prozent Wasserstoff bewältigen können.

Auch beim Wirkungsgrad von Gaskraftwerken gibt es trotz jahrzehntelanger Erfahrung noch etwas Luft nach oben. Bei reinen Gasturbinen liegt er bei gut 40 Prozent. In Gas- und Dampfkraftwerken (GuD), in denen zusätzlich noch eine Dampfturbine arbeitet, lässt sich bei guten Kühlbedingungen ein elektrischer Wirkungsgrad von 63 bis 65 Prozent erzielen. „Bei Anlagen mit Wärmenutzung erreichen wir sogar Brennstoff-Nutzungsgrade von über 85 Prozent“, sagt Thiemann.

Ein weiterer Fokus der Turbinen-Entwickler liegt auf der Flexibilität ihrer Anlagen. Im kommenden Jahrzehnt werden Gaskraftwerke stärker als bisher für den Ausgleich von Spannungsschwankungen im Stromnetz zu sorgen haben. „Heute fahren wir in großen Anlagen Laständerungen von über 70 Megawatt pro Minute“, beschreibt Thiemann den Status quo. Kleinere Gasturbinen können beim Warmstart schon in fünf bis acht Minuten auf Volllast hochgefahren werden. Eine angeschlossene Dampfturbine bietet zusätzliche Flexibilität, da sie über die Einlassventile etwas gedrosselt werden kann. Damit sei laut Thiemann eine schnelle Primär-Regelleistung von einigen Megawatt binnen Sekunden möglich.

Schwimmendes Kraftwerk: Siemens entwickelt seetaugliche Plattformen, auf denen eine Gasturbine mit einer Dampfturbine gekoppelt ist. Das in der Computersimulation gezeigte Hybrid- Kraftwerk hat eine Leistung von 145 Megawatt.


„In zehn bis 15 Jahren könnten wir beim Erdgas die gleiche Ausstiegsdiskussion wie heute bei der Kohle haben.“
Volker Quaschning, Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin


Für noch schnellere Reaktionen zur Stabilisierung des Stromnetzes setzt Siemens auf die Kopplung von Gaskraftwerken mit Batteriespeichern. Bis 2021 soll ein solches Hybrid-Kraftwerk auf einer schwimmenden Plattform vor der Domikanischen Republik entstehen. Moderne GuD-Kraftwerke werden sogar zwischen Stromerzeugung und Dampfentnahme für die Wärmenutzung hin und her jonglieren können, je nach Bedarf. Damit ließen sich die Blöcke flexibel an Winter- und Sommerbetrieb anpassen.

Trotz aller Fortschritte bleibt die Kombination aus schneller Regelung und hohen Wirkungsgraden eine Herausforderung. Bisher weisen die meisten Gaskraftwerke ihre maximale Effizienz unter Volllast auf. In Zukunft sollen sie auch bei gedrosselter Stromerzeugung – also unter Teillast – keine oder möglichst geringe Abstriche bei den Wirkungsgraden in Kauf nehmen müssen, heute sackt die Effizienz in diesem Fall oft um mehr als zehn Prozent ab. Dem könnte eine intelligente Kraftwerksführung entgegenwirken.

Hohe Wirkungsgrade unter Teillast wären besonders für ein neues Kraftwerkskonzept interessant: Analog zu den heute genutzten Pumpspeicher- Kraftwerken könnten Wasserstoff-Speicherkraftwerke entstehen. Bei einem Überangebot an Strom wird dann nicht Wasser in ein hochgelegenes Speicherbecken gepumpt, sondern per Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und in einer Kaverne gespeichert. Steigt der Strombedarf wieder, rauscht kein Wasser von oben durch die Turbinen, sondern der Wasserstoff wird in der Gasturbine verbrannt. An die hohen Wirkungsgrade von Pumpspeicher-Kraftwerken von über 80 Prozent wird die Wasserstoff-Variante jedoch nicht heranreichen können.

Auf dem Prüfstand: In einer Brennkammer ihres Energielabors testen Wissenschaftler der TU Berlin effiziente und schadstoffarme Verbrennungskonzepte für Gasturbinen.


„Um höhere Wirkungsgrade bei Teillast zu erreichen, lernt man auch von der Triebwerkstechnik“, sagt Dieter Peitsch vom Institut für Luftund Raumfahrt an der Technischen Universität Berlin. Denn in Düsenjets arbeiten ebenfalls Gasturbinen. Und das Hoch- und Runterregeln der Triebwerke ist in Flugzeugen Alltag. Das haben Peitsch und seine Kollegen im Blick, wenn sie im Sonderforschungsbereich „TurbIn“ an der Gasturbine der Zukunft schrauben. „Unser Ziel ist es, den Wirkungsgrad einer Gasturbine von heute 43 bis 44 Prozent um zehn Prozent zu steigern“, umreißt der Forscher das ehrgeizige Vorhaben. Den Schlüssel dazu sieht er in einer gepulsten, periodisch druckerhöhenden Verbrennung; bislang werden die eingesetzten Gase in der Regel bei gleichbleibendem Druck verfeuert.

Jede Stufe des Systems – vom Verdichter über die Brennkammer bis zur Turbine – nehmen die Berliner Forscher genau unter die Lupe. Völlig neue Brennkonzepte werden im Computer modelliert und in ersten Experimenten überprüft. Die explosionsartigen Zündungen erfolgen dabei schnell aufeinander – mal einige Dutzend, mal tausend Mal pro Sekunde. Abgeschlossen ist das Projekt noch lange nicht. Die zweite Phase läuft gerade, und erst in der dritten Phase könnte im kommenden Jahrzehnt ein erster Demonstrator einer kompletten gepulsten Gasturbine entstehen. „Mit konkreten Einsätzen in Gaskraftwerken ist wohl kaum vor 2030 zu rechnen“, schätzt Peitsch.

Sehr viel näher an einer Anwendung forscht dagegen DLR-Gasturbinenexperte Peter Kutne. Seine Kraftwerke rangieren allerdings nicht im Multimegawatt-Segment, sondern haben nur eine Leistung von drei bis 400 Kilowatt. Entsprechend kleiner sind die Turbinen dimensioniert. Satt mehrerer Meter beträgt ihr Durchmesser nur zwischen zwei und 20 Zentimentern. Solche Mikrogasturbinen stecken beispielsweise in kleinen Blockheizkraftwerken (BHKW), die sowohl Strom als auch Wärme bereitstellen. Allein in Deutschland stehen in Industrieunternehmen und in den Kellern von Häuserblöcken geschätzt mehr als 50 000 BHKW mit jeweils bis zu 2000 Kilowatt Leistung, Tendenz steigend.

„Mikrogasturbinen können flexibel mit verschiedenen Gasen, gerade auch mit Wasserstoff betrieben werden“, sagt Kutne. Die Anforderungen an die Komponenten sind längst nicht so hoch wie bei ihren großen Megawatt- Schwestern. Denn die Temperaturen am Auslass der Brennkammer gehen selten über 1000 Grad hinaus. Kutne arbeitet mit seinen Kollegen daher an möglichst günstigen Stahlbauteilen, die auch im 3D-Druck gefertigt werden können. Damit lassen sich die handlichen Turbinenschaufeln mit millimeterfeinen Kanälen für die nötige Luftkühlung ausstatten. Trotz enormer Drehgeschwindigkeiten von 80 000 bis 240 000 Umdrehungen pro Minute sind Mikrogasturbinen enorm langlebig. „Sie erreichen bis zur Generalüberholung Laufzeiten von 80 000 Stunden und sind zudem sehr wartungsarm“, sagt Kutne.

Prototyp aus dem Drucker: Um Gasturbinenschaufeln für ihre extremen Einsatzbedingungen maßzuschneidern, hat Siemens ein 3D-Druckverfahren zur Fertigung der Bauteile entwickelt.


Hochleistungskeramik: Forscher des Fraunhofer-Instituts IKTS haben einen Rotor für Mikrogasturbinen aus Siliziumnitrid konstruiert, einem Material, das auch bei Betriebstemperaturen von über 1000 Grad Celsius stabil bleibt.


Die derzeit effizientesten Mikrogasturbinen kommen vom finnischen Start-up Aurelia Turbines Oy in Lappeenranta nahe der russischen Grenze. Kutne ist stolz, zu der Entwicklung beigetragen zu haben. Das aktuelle Spitzenmodell erreicht bei 400 Kilowatt Leistung einen elektrischen Wirkungsgrad von 40 Prozent. Das Besondere: Dieser Wirkungsgrad bleibt selbst dann konstant, wenn die Leistung der Anlage auf bis zu 175 Kilowatt gedrosselt wird. In weiteren Ansätzen überprüft Kutne auch die Kombination von Mikrogasturbinen mit Brennstoffzellen. „Beide Systeme können sich sehr gut ergänzen, um noch höhere Gesamtwirkungsgrade zu erreichen“, sagt er.

Von einigen Dutzend Kilowatt bis zu hunderten Megawatt reicht das Leistungsspektrum von Gasturbinen mit stetig steigenden Wirkungsgraden und zunehmend flexiblerem Betrieb bei hoher Effizienz. So unterschiedlich die Arbeitsfelder von Kutne, Peitsch und Thiemann sein mögen, sind sie sich in einem Punkt einig: Mit der Energiewende werden neue Gasturbinen jeder Größe entwickelt und gebraucht werden. Wie dieser Ausbaupfad im Detail aussehen wird, wieviel Gas letztendlich benötigt und wie sich der Anteil von Biogas und Wasserstoff am Gesamtmix entwickeln wird, hängt von den Erdgas- und CO2-Zertifikatspreisen – und damit von den energiepolitischen Weichenstellungen der nahen Zukunft ab.


Foto: DLR

Foto: Siemens

Fotos: TU-Berlin, Siemens

Fotos: Fraunhofer IKTS, Marcin Bielecki / dpa