Projekt-Cluster

Hybridkraftwerke

Geschichte der Forschung zu Hybridkraftwerken

Von 2009 bis 2010 förderte das Bundesumweltministerium mit dem Projekt „Entwicklung eines Referenzkonzepts für eine Solarhybrid-GuD-Anlage (SHCC) der Leistungsklasse bis 20 MW“, eine Untersuchung verschiedener Konzepte für ein Hybrid-CSP-Kraftwerk auf Basis von Gasturbinen in der Leistungsklasse bis 20 Megawatt. Diese Konzepte untersuchten MAN Diesel&Turbo (Projektleitung) gemeinsam mit dem Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und VGB Power Tech. In dieser Vorstudie prüften sie wie solarer Hochtemperaturwärme effizient genutzt, wie der spezifische fossile Brennstoffwärmeverbrauch bei maximaler Flexibilität und Verfügbarkeit gesenkt und wie der Bedarf von Reservekapazitäten im Stromnetz vermieden werden kann.

Sie vergleichen Prozessvarianten und untersuchten eine SHC-Anlage in der vorgesehenen Leistungsgröße hinsichtlich der technischen und wirtschaftlichen Realisierbarkeit.


Im Anschlussvorhaben Hybrid High Solar Share Gas Turbine Systems (HYGATE) entwickeln die Projektpartner nun eine solar-hybride Gasturbinenanlage (GTA) auf Basis einer 10-Megawatt-Gasturbine. Der Auslegungspunkt soll ein rein solarthermischer Betrieb sein, bei der die maximale Prozesstemperatur auf 950°C begrenzt wird.

Elektrische Wirkungsgrade verschiedener Kraftwerkskonzepte sind in Abhängigkeit der Leistung aufgetragen. Bild: DLR

Im Forschungsprojekt „Systemverhalten von SOFC/MGT Hybrid-Kraftwerkskonzepten“ (SyHyKw) werden Hybridkraftwerke aus einer Kombination von einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) und einer Mikrogasturbine (MGT) untersucht. Sie haben das Potenzial langfristig den höchsten denkbaren Wirkungsgrad bei der Stromproduktion zu erreichen. Es besteht allerdings noch erheblicher Forschungsbedarf.

Das DLR arbeitet an der Entwicklung dieses Hybridkraftwerksystems und untersucht Betriebs- und Regelkonzepte. Die Erkenntnisse werden an einer real gekoppelten Pilotanlage mit 15 bis 30 Kilowatt elektrischer Leistung erprobt. Der Aufbau einer Demonstrationsanlage auf Basis der Mikrogasturbine des Herstellers MTT sollen ab 2014 erfolgen.

 

Abhängig von der Anlagengröße und den verwendeten Komponenten erscheinen elektrische Wirkungsgrade bis circa 70 Prozent möglich. Insbesondere bei Systemleistungen im unteren Kilowattbereich (Pel < 50 Kilowatt) sind elektrische Wirkungsgrade von über 60 Prozent erreichbar. Bei Schadstoffemissionen liegen die Werte unter 10 ppm NOx und 25 ppm CO bei 15 Volumen-Prozent Restsauerstoffgehalt. Schnelle Lastwechsel und ein niedriger Teillastbetrieb können diese Kraftwerke leisten, was die Integration der volatilen erneuerbaren Energien vereinfacht. Neben konventionellen Brennstoffen können auch Vergasungsprodukten aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden. Das System wird für die dezentrale Versorgung mit einer Leistung bis zu einem Megawatt Leistung ausgelegt.

 

Das Potenzial des Kraftwerkkonzepts liegt in der Verschaltung der Hochtemperaturbrennstoffzelle mit der Gasturbine. Mittels des Verdichters im Gasturbinenkreislauf wird die Prozessluft für die Brennstoffzelle komprimiert. Diese Druckaufladung dient der Erhöhung der elektrischen Leistung bei gleichem Brennstoffeinsatz in der Brennstoffzelle. Zudem wird die komprimierte Luft im Rekuperator der Gasturbine auf circa 600°C vorgeheizt. Die Betriebstemperatur der mit Überdruck betriebenen Brennstoffzelle liegt je nach Betriebspunkt zwischen 650 und 850°C. Es werden neben dem elektrischen Strom noch bis zu 850°C heiße, wasserstoffhaltige Abgase produziert. Diese werden in einer speziell konzipierten Brennkammer umgesetzt, die durch Kombination mit einer herkömmlichen Brennkammerstufe auch mit Erdgas betrieben werden kann. Durch die Entspannung der Abgase in der nachgeschalteten Turbine auf Umgebungsdruck wird ein Generator betrieben, welcher zusätzlich zur Hochtemperaturbrennstoffzelle elektrischen Strom produziert.

Weitere Infos

Prinzip der solaren Gasturbine. Bild: DLR
Kombination aus Gas- und solarem Dampfprozess Bild: DLR