Gasturbinen: Technik für viele Einsatzbereiche
Gasturbinen stehen seit vielen Jahren als bewährte Komponenten von effizienten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) und Gas- und Dampfturbinenanlagen (GuD) zur Verfügung.
Gasturbinen werden im industriellen Bereich sowie in der kommunalen Strom- und Wärmewirtschaft eingesetzt. Mit einem Anteil von deutlich über 40 % steht der Einsatz von Gasturbinen in der Fern- und Nahwärmeversorgung weiterhin an erster Stelle. In der Prozesstechnik werden Gasturbinen häufig zur Trocknung und zur Nachverbrennung von Geruchsstoffen eingesetzt.
Meistens werden Gasturbinen mit Erdgas oder Biomethan betrieben. Darüber hinaus sind innovative Brenner verfügbar, die Wasserstoff als Brenngas nutzen können.
Durch den Ausstieg aus der nuklearen und kohlebasierten Strom- und Wärmeerzeugung kommt Gasturbinen eine hohe Bedeutung zu. Denn Gasturbinen emittieren ein besonderes sauberes Abgas, das im Vergleich zur Kohle mit deutlich niedrigeren, spezifischen CO2- und NOx-Emissionen aufwarten kann.
Während der Anteil erneuerbaren Stroms aus Wind- und Solarenergie zunimmt, müssen klassische, thermische Kraftwerke für die Zeit vorgehalten werden, in denen Wind und Sonne nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung steht. Diese Last, die im Wesentlichen von Gasturbinen getragen werden wird, wird Residuallast genannt.
Neben den guten Abgaswerten punkten Gasturbinen auch mit ihren schnellen Laständerungen. Bei einer Netzanforderung können Sie in weit unter einer Stunde von Null auf Volllast hochgefahren werden. Dieses so genannte Schwarzstartverhalten ist für das Puffern von Verbrauchsspitzen im Stromnetz unerlässlich.
Tagungsband des ASUE-Expertenkreises Gasturbinentechnik 2021
Anwendungen, Technologie und Potenziale von Gasturbinen im kleineren bis mittleren Leistungsbereich
Gasturbinen nach Branchen
Gasturbinen werden häufig in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen für die Fern-/Nahwärmeversorgung eingesetzt. Auch in der Energieversorgung von Industrieanlagen spielen Gasturbinen eine wichtige Rolle. ...
Mikrogasturbinen
Eine Mikrogasturbine besitzt im Innern nur ein einzelnes bewegtes Bauteil: die Welle mit dem Verdichterrad und dem eigentlichen Turbinenrad. Dieses Teil dreht sich mit hoher Geschwindigkeit und ermöglicht die effektive Brennstoffnutzung zur Strom- und Wärmeproduktion. Im Vergleich zu Gasmotor-BHKW sind Mikrogasturbinen eine interessante Alternative, wenn Gasqualitäten schwanken, Lärmemissionen zu vermeiden sind oder Temperaturen jenseits der 100 °C erforderlich sind.
Die ursprünglichen Entwicklungen der Technologie von Mikrogasturbinen sahen die Anwendung als robuster, dezentraler Stromerzeuger im militärischen Einsatz oder als belastbarer Antrieb von Schwerlastfahrzeugen vor.
Der wartungsarme Aufbau und die hohen thermischen Leistungen eignen sich aber auch bestens für wärmegeführte KWK-Anwendungen. In dieser Art sind die leisen Mikrogasturbinen in einer Vielzahl von Projekten installiert worden. Unternehmen und Gebäudebesitzer konnten ihre Klimabilanz verbessern und die spezifischen Kosten über die gekoppelte Stromproduktion reduzieren. Außerdem wurden Sie unabhängiger vom, mit hohen Auflagen belegten, Strombezug aus dem Netz.
Mikrogasturbinen - Technologie, Kenndaten, Anwendungen
Gasturbinen sind Kraftwerke. Für Spitzenlastanwendungen leisten sie einige 100 MWel. Aber auch in kleineren, dezentralen BHKW-Anlagen sind Mikrogasturbinen bis 400 kWel eine Alternative zu Gasmotoren...
Optimierungsoptionen von Gasturbinen im laufenden Betrieb
Eine Gasturbine hat im Unterschied zu Otto- und Dieselmotoren an jedem Betriebspunkt dasselbe, konstante Volumen. Deswegen entscheidet der durchgesetzte Massenstrom über die Wellenleistung einer Gasturbine. Im laufenden Betrieb kann der Massenstrom und damit die Leistung durch eine verringerte Kompressoreffizienz, einen erhöhten Eingangsdruckabfall oder durch verschlechterte Werte von Umgebungstemperatur und –druck reduziert werden.
Filtration der Zuluft
Verluste im Verdichter einer Gasturbine sind häufig auf Ablagerungen an den Verdichterschaufeln zurückzuführen. Zudem kann eine unpassend ausgelegte Filtration einen übermäßigen Druckabfall in der Zuluft zur Gasturbine und damit einen reduzierten Wirkungsgrad verursachen.
Während die Zuluft vieler aktueller Gasturbinen mit einfachen Taschenfiltern relativ grob gereinigt wird, bietet der Einsatz von effizienten EPA-/ HEPA-Filtern das Potenzial weit besserer Abscheidegrade. Dem etwas größeren Strömungswiderstand muss allerdings mit einer Erhöhung der Filteroberfläche begegnet werden, was sich später wiederum durch die garantierte Abscheidung der Partikel in einer höheren Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, einer verbesserten Energieeffizienz, einer erhöhten Lebensdauer von heißen Komponenten sowie einer Verbesserung von Emissionswerten amortisieren kann.
Kühlung der Zuluft
Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, nimmt die Dichte der Zuluft ab und der Massenstrom durch die Gasturbine reduziert sich dementsprechend. Dies führt zu einer Verringerung der Wellenleistung und einer Erhöhung der Wärmeleistung, d. h des Verhältnisses von eingesetzter Energie (in kJ) zu gewonnener Energie (in kWh). Im Ergebnis reduziert jedes zusätzliche °C in der Zuluft die Turbinenleistung um 0,7…0,9 % während sich die Wärmeleistung um ca. 0,3 % / °C erhöht.
Die sogenannte „adiabatische“ Kühlung innerhalb der Gasturbine soll diesen Effekten entgegenwirken. Der Aufwand ist wegen der hohen Anforderungen an die Reinheit des verwendeten Wassers relativ hoch und kann reduziert werden, wenn eine Kühlung noch vor der Filtration eigesetzt wird. So kann der Einfluss hoher Außentemperaturen bei gleichzeitiger Verwendung von Vernebelungs- bzw. Zerstäubungstechnologie und hocheffizienten Zuluftfiltern reduziert werden. Parallel erlaubt diese Konstellation durch die Messung von zerstäubtem Wasser und resultierender Luftfeuchte in der Zuluft die präzise Regelung dieses für die Turbineneffizienz entscheidenden Parameters.
Weiterführende Informationen in englisch in der kostenlosen pdf Orhon, van der Kaag, Tayler: Impact of EPA Air Intake Filtration on Gas Turbines Operating in Middle East Offshore Applications and Fueled with Sour Gas (2016) unter Freigabe von AAF.