Projekt-Cluster
Wasserstoff-Gasturbinen
Forschungsansatz
Wasserstoff eignet sich als Speichermedium für erneuerbare Energien, wenn diese Überschüsse erzeugen (z.B. starker Wind an Feiertagen). Wasserstoffhaltige Gase erzeugen für gängige Gasturbinen zu hohe Verbrennungstemperaturen. Daher müssen diese Turbinen erst noch entwickelt werden.
Turbinen, die wasserstoffreiche Gase verbrennen können, benötigt man aber auch beim Gas- und Dampfturbinen-Kombiprozess, dem eine Kohlevergasung vorgeschaltet ist (IGCC). Das nach dem Vergaser und dem ihm nachgeschalteten Shiftkonverter vorliegende Synthesegas besteht im Wesentlichen aus CO2 und Wasserstoff (H2). Die CO2-Abtrennung kann auf relativ einfache Weise mit Hilfe eines physikalischen Absorptionsverfahrens vorgenommen werden, sodass anschließend nahezu reiner Wasserstoff als Brenngas für eine Gasturbine vorliegt. Ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt ist es daher, brennstoffflexible, zuverlässige und zugleich schadstoffarme Gasturbinen für solche H2-reichen Synthesegase zu entwickeln.
Um die Zahl der aufwändigen Verbrennungsversuche zu reduzieren, setzen die Forscher derzeit auf Rechenprogramme, um auf Basis numerischer Verfahren die Vorgänge in der Brennkammer mit immer größerer Vorhersagekraft zu simulieren.
Forschungsziele
- Erhöhung der Brennstoffflexibilität (Brennersysteme für ein großes Brennstoffspektrum – Erdgas/wasserstoffreiche Syngase/alternative Brennstoffe, reaktionskinetische Daten und Modelle)
- Verbesserung des Verbrennungssystems der Gasturbine für den Wasserstoffeinsatz auf der Basis der neuesten Erdgasturbinentechnik mit dem Ziel der Wirkungsgradverbesserung, der Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verringerung der Stickoxidemissionen. Ein weiteres Ziel ist der optionale Einsatz von Erdgas, Synthesegas und nach Möglichkeit von Methanol.
- Entwicklung neuer Gasturbinen-Verbrennungssysteme. Zur Verbrennung niederkalorischer Gase werden zurzeit Diffusionsbrenner eingesetzt. Mit Vormischbrennern lassen sich die Turbineneintrittstemperaturen erhöhen. Eine Möglichkeit könnte das FLOX®-Brennerkonzept sein, das durch Vormischung von Abgasen und Brennstoff-/Luftgemisch Temperaturspitzen in der Brennkammer und die Bildung unzulässiger Stickoxidkonzentrationen vermeidet.
- Entwicklung fortschrittlicher Gasturbinen für wasserstoffreiches Syngas und höhere ISO-Eintrittstemperaturen (hohes Wirkungsgradpotenzial). Die Grundlage bildet die permanente Weiterentwicklung der Gasturbinen für den Standardbetrieb mit Erdgas. So soll die für das GuD-Kraftwerk Irsching entwickelte Turbine der H-Klasse bis 2020 auch für IGCC-Anlagen einsatzbereit sein.
Perspektiven
Die Kapazität heutiger syngasbewährter Gasturbinen liegt bei ca. 200 MWel. In Kombination mit einer Dampfturbine lässt sich damit zurzeit eine IGCC-Anlagenleistung von 350 MWel erzielen. Heutige Hochleistungsvergaser können Rohgas für eine 500-MWel-Anlage liefern. Hierfür ist die Erhöhung der Gasturbinenleistung auf 300 MWel erforderlich. In den IGCC-Anlagen Buggenum und Puertollano sind Gasturbinen der Fa. Siemens mit einer Leistung von 190 MW bzw. 200 MW, einer Eintrittstemperatur von ca. 1.160 bzw. 1.230 °C und einem Wirkungs-grad von ca. 36–39 % im Einsatz. Mit Unterstützung von DOE arbeitet Siemens an der Entwicklung einer für Syngas und Wasserstoff geeigneten Gasturbine der Baureihe H, die bis 2017 einsatzbereit sein soll. Für das erdgas-betriebene GuD-Kraftwerk Irsching hat Siemens bereits die H-Klasse entwickelt, die 340 MW leistet. Die Betriebstemperaturen betragen bis zu 1.500 °C. Mit dieser neuen Gasturbine soll der Wirkungsgrad bisher realisierter GuD-Anlagen um 2 Prozentpunkte gesteigert werden.
Die zurzeit für die Verbrennung niederkalorischer Gase eingesetzten Gasturbinenbrenner arbeiten im Diffusionsbetrieb, d. h., Brennstoff und Luft werden erst in der Brennkammer gemischt. Durch die Entwicklung neuer Verbrennungssysteme mit Vormischbetrieb soll die Turbineneintrittstemperatur gegenüber gegenwärtig eingesetzten Gasturbinen mit Diffusionsbrenner erhöht und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden. Forscher erwarten für eine Anhebung der Eintrittstemperatur von 1.250 auf 1.400 °C eine Wirkungsgradsteigerung von etwa 2 Prozentpunkten.
Hintergrund
Im EU-FP6 Projekt ENCAP wird erstmals auf breiter Basis die Entwicklung qualifizierter, stationärer Großgasturbinen für den Betrieb mit wasserstoffreichem Brennstoff verfolgt. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch nationale Aktivitäten zum brennstoffflexiblen Einsatz der Gasturbinen, zum Beispiel im Rahmen der AG Turbo. Es ist absehbar, dass auch nach erfolgreichem Abschluss dieser Vorhaben weitere Forschungsarbeiten nötig sein werden, um verbliebene wichtige Fragestellungen zu klären. Gasturbinen für den Standardbetrieb mit Erdgas werden permanent weiterentwickelt. Um die dabei erzielten Fortschritte auch für moderne IGCC-Kraftwerke mit CO2-Abscheidung nutzen zu können, ist die jeweils neueste Gasturbinen-Technologie mit Vormischbrennern der Entwicklung von Verbrennungssystemen für den Einsatz wasserstoffreicher Brennstoffe zugrunde zu legen.
Die zurzeit für die Verbrennung von Synthesegas eingesetzten Gasturbinenbrenner arbeiten im Gegensatz zu Erdgasbrennern im Diffusionsbetrieb. Brennstoff und Luft werden erst in der Brennkammer gemischt. Um künftige NOx-Grenzwerte einhalten zu können, müssen Stickstoff und Wasser zugemischt und die Verbrennungstemperatur abgesenkt werden. Das führt im Vergleich zum Vormischbetrieb, bei dem Brennstoff und Luft in einem Kanal vor dem eigentlichen Brenner miteinander gemischt werden, zu einer deutlichen Reduzierung des Wirkungsgrads.
Bei Maschinen mit Vormischbrenner lassen sich die Turbineneintrittstemperaturen verglichen mit den gegenwärtig eingesetzten Maschinen mit Diffusionsbrenner noch weiter steigern. Dadurch lassen sich ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit erreichen. Das noch zu entwickelnde Verbrennungssystem mit Vormischbrenner soll dabei bei minimaler Verdünnung auch im Betrieb mit H2-reichem Brennstoff niedrige Emissionen von weniger als 15 ppm NOx erzeugen. Als Verdünnungsmedien stehen H2O und Überschussstickstoff aus der Luftzerlegungsanlage zur Verfügung.
Auch im Betrieb mit trockenem Zweitbrennstoff (Erdgas) soll der niedrige NOx-Wert eingehalten werden. Die Verdünnung des Brennstoffs mit Inertmedien wird zusätzliche Investitions- und Betriebskosten verursachen. Diese müssen minimiert werden. Um geringe Emissionen und einen sicheren Betrieb bei möglichst niedrigem Verdünnungsbedarf zu erreichen, muss die Mischung zwischen Gas und Luft optimiert werden. Nur so lassen sich die gegenüber Erdgas erhöhten Volumenströme und die erhöhte Reaktivität berücksichtigen.
Forschungsvorhaben zu Wasserstoff-Gasturbinen
Neue Brennerkonzepte für magere Vormischverbrennung für Wasserstoff (BIGH2 „Innovation" Phase II)
Forschende Organisation: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Standort Stuttgart - Institut für Verbrennungstechnik (EN-VT)
Förderkennzeichen: 03ET2008
Projektlaufzeit: 07/2011 - 06/2014 (Abgeschlossen)
Schadstoffarme Verbrennung wasserstoffreicher Gase in hocheffizienten Gasturbinen
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Energy Sektor PG PE 324
Förderkennzeichen: 0327805A
Projektlaufzeit: 01/2009 - 06/2013 (Abgeschlossen)
Flexibles Verbrennungssystem für wasserstoffhaltige Brennstoffe
Forschende Organisation: ALSTOM Power Systems GmbH
Förderkennzeichen: 0327715N
Projektlaufzeit: 03/2007 - 12/2010 (Abgeschlossen)
Flammenstabilisierungsmechanismen für robuste Brennersysteme mit erweiterter Brennstoffflexibilität
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation - Abt. PE32
Förderkennzeichen: 0327716M
Projektlaufzeit: 12/2007 - 09/2011 (Abgeschlossen)
Industriegasturbinenbrenner für alternative Brenngase (IGAB)
Forschende Organisation: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Standort Stuttgart - Institut für Verbrennungstechnik (EN-VT)
Förderkennzeichen: 0327718B
Projektlaufzeit: 01/2010 - 06/2013 (Abgeschlossen)
