Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk

Ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk oder Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk (kurz GuD-Kraftwerk) ist ein Kraftwerk, in dem die Prinzipien eines Gasturbinenkraftwerkes und eines Dampfkraftwerkes kombiniert werden. Eine Gasturbine dient dabei als Wärmequelle für einen nachgeschalteten Abhitzekessel, der wiederum als Dampferzeuger für die Dampfturbine wirkt.

Mit dieser kombinierten Fahrweise wird im thermodynamischen Kreisprozess ein höherer Wirkungsgrad erreicht als mit Gasturbinen im offenen Betrieb oder in konventionell befeuerten Dampfkraftwerken. Kombikraftwerke gehören mit elektrischen Wirkungsgraden von bis zu 60 % zu den effizientesten konventionellen Kraftwerken (siehe Gaskraftmaschine).

Kombikraftwerke sind im Kraftwerksmanagement sehr flexibel einsetzbar: Dank kurzer Startzeiten und der Möglichkeit schneller Laständerungen sind sie ideale Mittellast-Kraftwerke. Vorrangig werden diese Kraftwerke im Mittellastbereich und bei Bedarf sogar im Bereich des Spitzenstroms betrieben. Dank des guten Wirkungsgrades lohnt sich aber auch der Dauerbetrieb als Grundlast-Kraftwerk.

GuD-Kraftwerk von Statkraft mit zwei Gasturbinen im Chemiepark Knapsack

Nomenklatur

Die Kurzbezeichnung GUD-Kraftwerk war lange Zeit eine geschützte Bezeichnung der Firma Siemens; seit Ende September 2009 jedoch nicht mehr.^[1] Auch als GUD noch eine Marke war, wurde diese Bezeichnung häufig als Gattungsbegriff verwendet. Allgemein wird dieser Kraftwerkstyp als Kombikraftwerk bezeichnet, wobei Gefahr der Verwechslung z. B. mit Kraft-Wärme-Kopplung besteht. Weitere Herstellerbezeichnungen sind zum Beispiel Steam and gas (STEAG) von General Electric oder Kombianlage (KA) von Alstom. Im englischen Sprachraum spricht man von Combined Cycle Power Plant (CCPP) oder Combined Cycle Gas Turbine (CCGT).

Wirkungsweise

Funktionsschema eines GuD-Kraftwerks (Zweiwellenanlage)

Vereinfachte Darstellung eines idealisierten einstufigen GuD-Prozesses im T-S-Diagramm. Beim reinen Dampfkraftprozess treten bei der Wärmeübertragung im Kessel vom Rauchgas (Brennraumtemperaturen z. B. 1700 °C) auf den Dampf (maximale Dampftemperatur meist unterhalb 600 °C) große Exergieverluste auf. Der GuD-Prozess nutzt dieses Temperaturgefälle für den Gasturbinenprozess. Der Vorteil der hohen Temperatur der Wärmezufuhr in der Brennkammer der Gasturbine von 6g nach 1g (ca 1200 °C) ist gepaart mit der geringen Temperatur der Wärmeabfuhr im Kondensator des Dampfkreislaufes von 2d nach 3d. Auch bei der prozessinternen Wärmeübertragung der Abwärme des Gasturbinenkreislaufes in den Dampfkreislauf treten wegen der konstanten Verdampfungstemperatur (rechte Seite im T-S-Diagramm) Exergieverluste auf. Bei einer zweistufigen Anlage sind sie geringer (s. Wärmeübertragungsdiagramm). Die Abwärme aus dem Gesamtprozess ist neben der Kondensationsenthalpie des Dampfes die Rauchgasenthalpie im Punkt 4g.

Prinzip-Schaltbild eines einstufigen GuD-Kraftwerks mit einem Zwangumlaufkessel und einer Dampfentnahme aus der Turbine zur Speisewasservorwärmung.

Prinzip-Schaltbild eines zweistufigen GuD-Kraftwerks. Durch die Verteilung der aus dem Abgas der Gasturbine übertragenen Wärme auf zwei Druckstufen im Wasserkreislauf wird die zum Ende des Verdampfungsvorganges hin zunehmende Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und verdampfendem Wasser reduziert (Wasser verdampft bei konstantem Druck isotherm, während das Rauchgas sich abkühlt). Damit reduzieren sich die Exergieverluste bei der Wärmeübertragung, das heißt, der Wirkungsgrad erhöht sich. Die Anlage wird aber komplizierter und teurer.

Wärmeübertragungsdiagramme für eine Anlage mit einer Druckstufe (oben) und zwei Druckstufen (unten).

Im GUD-Kraftwerk wird mit ein bis vier Gasturbinen und einer Dampfturbine Elektrizität erzeugt, wobei entweder jede Turbine jeweils einen Generator antreibt (Mehrwellenanlage, engl. Multishaft) oder eine Gasturbine mit der Dampfturbine (abkuppelbar) auf einer gemeinsamen Welle den Generator (Einwellenanlage, engl. Singleshaft). Die heißen Abgase der Gasturbinen werden in einem Abhitze-Dampfkessel zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Der Dampf wird anschließend über einen herkömmlichen Dampfturbinenprozess entspannt. Es entfallen ca. 2/3 der elektrischen Leistung auf die Gasturbine und 1/3 auf den Dampfprozess.

Wenn neben der Nutzung der Abgaswärme der Gasturbine durch zusätzliche Befeuerung (Zusatzfeuerung) des Dampfkessels die Dampfleistung und damit die elektrische Leistung der Dampfturbine erhöht wird, spricht man von einem Kombi-Prozess. Für den Betrieb der Gasturbine werden gasförmige oder flüssige Brennstoffe wie Erdgas, Biogas oder Heizöl eingesetzt. Für den Betrieb des Brenners im Dampfkessel können auch andere Brennstoffe verwendet werden.

Leistung

Die Leistungen von GuD-Anlagen liegen im Bereich zwischen 80 und 860 (z.B. Irsching) Megawatt pro Einheit Gasturbine/Dampfturbine, wobei eine Kraftwerksanlage aus mehreren Einheiten bestehen kann. Im Vergleich dazu hat ein Block eines Kernkraftwerks eine Leistung zwischen 400 und 1600 Megawatt.

Aus der Kombination beider Turbinenarten ergeben sich sehr hohe Kraftwerks-Wirkungsgrade.

Wirkungsgrad

Der außerordentlich hohe Wirkungsgrad beim GUD-Kraftwerk wird dadurch erreicht, dass die Wärme aus dem Rauchgas dem Prozess bei hohem Temperaturniveau zugeführt wird. Die stöchiometrische (λ=1) Verbrennungstemperatur von Erdgas mit Luft bei Normaldruck liegt bei ca. 2200 °C. Durch Luftüberschuss werden die Eintrittstemperaturen der Gasturbinen jedoch verringert. Die heute maximal mögliche Gaseintrittstemperatur liegt bei 1600 °C^[2]. Die Austrittstemperaturen liegen bei ca. 650 °C. Die Gasturbinen haben abhängig von der Leistung einen Wirkungsgrad (elektrische Leistung bezogen auf zugeführte Wärme) von 35 % (10 MW_el) bis 40 % (100 MW_el).

Das Abgas wird in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit einer Temperatur >500 °C genutzt. Ein großer Teil der Wärme (Enthalpiedifferenz) wird jedoch für die Verdampfung bei der druckabhängigen Sattdampftemperatur benötigt. Bei 100 bar beispielsweise beträgt diese nur 311 °C. Das bedeutet, dass bei einer Anlage mit nur einer Dampfdruckstufe (siehe erstes Schaltbild rechts) am Eintritt des Rauchgases in den Verdampfer die Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Wasser sehr groß ist, und entsprechend hoch sind die Exergieverluste bei der Wärmeübertragung. Ist das Rauchgas bis auf wenige Grade oberhalb der Verdampfungstemperatur abgekühlt, kann sein restlicher Wärmeinhalt nur noch zur Speisewasservorwärmung genutzt werden (vergleiche Wärmeübertragungsdiagramm und T-S-Diagramm rechts). Die rechenaktive Original-Datei, der das rechts abgebildete Schema entnommen ist, berechnet einen Wirkungsgrad von 52 % bezogen auf den Heizwert. Bezogen auf den Brennwert ist der Wirkungsgrad 52 %/1,11 = 47 %.

Die wasserseitige Schaltung der Kessel kann je nach betrieblichen Anforderungen sehr unterschiedlich sein. Neben den hier gezeigten Zwangumlaufkesseln sind auch Naturumlaufkessel und Zwangdurchlaufkessel (Bensonkessel) üblich.

Zur Vermeidung höherer Exergieverluste, das heißt also zur Verbesserung des Wirkungsgrades, werden mehrere Druckstufen verwendet. Das zweite Schaltbild zeigt eine zweistufige Anlage. Das Speisewasser wird entweder mit getrennten Speisewasserpumpen dem Speisewasserbehälter entnommen und zwei getrennten Speisewasservorwärmern zugeführt, oder es werden – wie in der Abbildung – die Druckstufen hintereinandergeschaltet. Die Verdampfung und Überhitzung erfolgt somit auf unterschiedlichem Temperaturniveau.

Stand der Technik bei GuD-Kraftwerken zur reinen Stromgewinnung, das heißt ohne eine weitere Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken oder als Prozesswärme, ist der Drei-Druck-Prozess mit Zwischenüberhitzung. Hierbei kommt meist eine Gasturbine der sogenannten F-Klasse zum Einsatz. Die elektrische Leistung dieser Anlagen liegt bei etwa 400 MW. Die Drücke betragen etwa 130 bar (Hochdruck), 30 bar (Mitteldruck) und 8 bar (Niederdruck). Der Hochdruck-Dampf wird auf etwa 570 °C überhitzt. Nach der Entspannung im Hochdruckteil der Turbine wird der Dampf zum Kessel zurückgeführt, mit dem Mitteldruckdampf vermischt und nochmals auf etwa 570 °C überhitzt. Theoretisch wären noch mehr Druckstufen zur besseren Anpassung der Dampfkennlinie an die des Rauchgases denkbar, allerdings ist der zusätzliche Investitionsaufwand dann im Verhältnis zur wärmetechnischen Verbesserung zu hoch. Der Drei-Druck Prozess mit einer Zwischenüberhitzung stellt momentan das wirtschaftliche Optimum dar. Mit einem Wirkungsgrad der Gasturbine zur Stromerzeugung von 40 % und einem Wirkungsgrad der Abwärmenutzung von 18,4 % (jeweils bezogen auf den Heizwert Hu) liegt der bisher beste erreichte Gesamt-Wirkungsgrad bei 58,4 %.

Am E.ON-Standort Irsching entsteht derzeit ein Testfeld für die weltweit größte und leistungsstärkste Gasturbine SGT5-8000H (375 MW), die von Siemens Power Generation neu entwickelt wurde. Nach Abschluss der Testphase wird die Gasturbine in ein modernes GuD mit einem Gesamtwirkungsgrad von 60% integriert. Am 11. Mai 2011 erreichte der Kraftwerksblock 4 in Irsching im Probebetrieb einen Wirkungsgrad von 60,75% und ist damit neuer Weltrekordhalter.^[3]

Abwärmenutzung

Durch Einsatz einer Gegendruckturbine oder durch eine Turbinenanzapfung kann die thermische Energie des Wasserdampfes noch für eine Fernwärmeversorgung genutzt werden. Auf Grund des höheren Gegendrucks reduziert sich dann allerdings die erzeugte mechanische Arbeit und der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtprozesses. Betrachtet man im unteren Bereich des Kraftwerkskreisprozess im T-S-Diagramm (Kondensation) näherungsweise als Carnot-Prozess (siehe Dampfkraftwerk, Abschnitt TS-Diagramm) mit einem Gegendruck statt 0,037 bar (= 30 °C Kondensationstemperatur), dann reduziert sich bei 1 bar Gegendruck (= Erzeugung von Fernwärme bei 100 °C) der Carnot-Wirkungsgrad bezogen auf den erreichten Wirkungsgrad um 17 %. Somit wird statt 58 % nur noch ein Wirkungsgrad für die Erzeugung der mechanischen Arbeit von 48 % erreicht. Nach der Dampfauskopplung bei 1 bar stehen 52 % der eingesetzten Brennstoffenergie bei einem Temperaturniveau von 100 °C zur Verfügung. Diese Enthalpie des Dampfes besteht aus der Kondensations- bzw. Verdampfungsenthalpie bei 1 bar / 100 °C; sie beträgt

$\Delta h_v = 2256\; \mathrm{kJ}/\mathrm{kg}$

und der noch verbleibenden fühlbaren Wärme im nicht mehr nutzbaren Kondensat von

$h = c_p \; (100\;^{\circ}\mathrm{C}-30\;^{\circ}\mathrm{C}) = 292\; \mathrm{kJ}/\mathrm{kg}$.

Ohne Wärmenutzung werden bei der Kondensationstemperatur von 30 °C die Enthalpie von Δh_v = 2430kJ / kg über den Kühlturm an die Umgebung abgeführt. Dies reduziert sich im Falle einer vollständigen Wärmenutzung auf die 292 kJ/kg. Dann stehen neben der Umsetzung von 48 % der Brennstoffenergie in mechanische Arbeit noch 45 % der Einsatzenergie als Wärmeenergie bei 100 °C zur Verfügung. Es ist zu beachten, dass die Energie im Heizungswasser nur zu 19 % aus Exergie und den restlichen 81 % aus Anergie besteht. Daher dürfen die unterschiedlichen Wirkungsgrade nicht addiert werden. Die Summe beider Wirkungsgrade kann aber 100 % nicht überschreiten.

Die Gesamtemissionen sind dadurch im Vergleich zur erzeugten Energie insgesamt sehr gering. Neben dem hohen Wirkungsgrad sind weitere Vorteile eines GuD-Kraftwerks die kurze Bauzeit und die kurze Anlaufzeit des Gasaggregats, weshalb dieser Kraftwerkstyp zum Ausgleich von Lastspitzen verwendet werden kann. Allerdings benötigt ein GuD-Kraftwerk vergleichsweise teure Brennstoffe, weshalb sich neuere Forschungen mit GuD-Kohlekraftwerken beschäftigen.

Der Bau von GuD-Kraftwerken wird in Deutschland steuerlich begünstigt, wenn der Wirkungsgrad der Anlage über 57,5 % liegt. Der Staat verzichtet auf die ihm zustehende Erdgassteuer von 5,50 € je Megawattstunde, wenn dieser Wirkungsgrad überschritten wird und die gesamte Verfügbarkeit des Kraftwerkes mehr als 70 % beträgt. Auch in anderen Ländern gibt es ähnliche Vergünstigungen.

Kosten

GuD-Kraftwerke können vergleichsweise schnell und preiswert errichtet werden.^[4] Die Bauzeit und die Investitionskosten betragen nur etwa die Hälfte eines Kohlekraftwerkes gleicher Leistung. Im Grundlastbereich mit 8.000 Betriebsstunden pro Jahr können jedoch Kohlekraftwerke wegen der geringeren Brennstoffkosten die höheren Baukosten kompensieren. Die flexibleren GuD-Kraftwerke werden deshalb vorrangig im Spitzen- und Mittellastbereich mit 4000 Betriebsstunden pro Jahr eingesetzt.

GuD-Kohlekraftwerke

Ein Betrieb der Gasturbine mit Kohlenstaub ist zunächst nicht möglich, da bei der Kohleverbrennung Asche entsteht, die die Schaufeln der Gasturbine durch Abrieb schnell zerstören würde. Ein Abscheiden der Asche aus dem heißen Gasstrom ist großtechnisch schwierig und Teil aktueller Forschung. Allerdings bietet sich die Möglichkeit, Steinkohle zunächst in einer Kokerei zumindest teilweise in Kokereigas zu verwandeln und in einem GuD-Kraftwerk zu nutzen. Der verbleibende feste Koks kann in einem konventionellen Dampfkraftwerk in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Eine weitere Form ist das Kohle-Kombikraftwerk, das sich als ein kohlebefeuertes Dampfkraftwerk in Kombination mit einer Gasturbine darstellt. Die Gasturbine wird mit Erdgas betrieben und treibt für sich einen Generator an. Die Abgase besitzen beim Verlassen der Gasturbine eine hohe Temperatur und einen hohen Gehalt an Sauerstoff, so dass sie noch als Zuluft für einen mit Steinkohle befeuerten Dampferzeuger dienen können, der seinerseits den Wasserdampf für eine Dampfturbine mit angekoppeltem Generator liefert. Das Verfahren arbeitet mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad von 41%. Eine ausgeführte Anlage ist das Gersteinwerk bei Werne an der Lippe.

Eine weitere Variante im industriellen Maßstab stellen Kohlekraftwerke dar, die Kohle unter Sauerstoffmangel vergast. Die entstehende Wärme – knapp ein Drittel der Gesamtenergie – wird in einem normalen Dampfkraftwerk verstromt, während das entstehende Kohlenmonoxid nach der Beseitigung der Asche in einer Gasturbine verbrannt - also zu CO₂ umgesetzt - wird. Der Gesamtwirkungsgrad ist ebenfalls höher als der einfacher Dampfkraftwerke.

Einzelnachweise

1. ↑ Registerauskunft des Deutschen Patent- und Markenamtes: (Registernummer 1134324)
2. ↑ Mitsubishi Heavy Industries J-Type Gasturbine, s. Pressemitteilung von Mitsubishi
3. ↑ Das leistungsfähigste Kraftwerk der Welt (Quelle: Bild der Wissenschaft Stand: 20. Mai 2011)
4. ↑ WinGas Informationen zu den Baukosten für GuD-Anlagen auf wingas.de

Weblinks

• Strom online – Gas-Kombikraftwerk
• GuD-Kraftwerk (Leifi-Physik)
• Axpo Stromperspektiven: Gas-Kombikraftwerk (Schweizer Energiegruppe Axpo)