GuD-Kraftwerk

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Erdgas-betriebenes Heizkraftwerk auf GuD-Basis in Köln-Niehl

GuD-Kraftwerke, ausgeschrieben Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke, dienen der Stromerzeugung, wobei Gasturbinen- und Dampfturbinenprozess miteinander kombiniert werden. Die Bezeichnung GuD-Kraftwerk ist in Deutschland üblich. Sie ist eine Bezeichnung der Firma Siemens Power Generation. In der Schweiz und in Österreich wird dieser Kraftwerkstyp eher als Kombikraftwerk bezeichnet. Im englischen Sprachraum spricht man von "Combined Cycle Power Plant (CCPP)" oder "Combined Cycle Gas Turbine (CCGT)". Wegen ihrer Schnellstartfähigkeit erzeugen GuD-Kraftwerk in Europa im wesentlichen Mittellaststrom - z.T. auch Spitzenstrom.

[Bearbeiten] Wirkungsweise

Funktionsschema eines GuD-Kraftwerks (Zweiwellenanlage)

Im GuD-Kraftwerk wird mit ein bis drei Gasturbinen und einer Dampfturbine Elektrizität erzeugt, wobei entweder jede Turbine jeweils einen Generator antreibt (Mehrwellenanlage) oder eine Gasturbine mit der Dampfturbine (abkuppelbar) auf einer gemeinsamen Welle den Generator (Einwellenanlage). 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 eingesetzt werden.

[Bearbeiten] Leistung

Die Leistungen von GuD-Anlagen liegen im Bereich zwischen 80 und 830 Megawatt pro Einheit Gasturbine/Dampfturbine, wobei eine Kraftwerksanlage aus mehreren Einheiten bestehen kann. Im Vergleich dazu hat ein Block eines Kernkraftwerks eine Leistung zwischen 500 und 1500 Megawatt.

Aus der Kombination beider Turbinenarten ergeben sich sehr hohe Kraftwerks-Wirkungsgrade. Der Spitzenwert bei der Umwandlung der Brennstoffenergie in Elektrizität (exergetischer Wirkungsgrad) liegt z. Zt. (2004) bei 58,4 Prozent (Elektrizitätswerk Mainz/Wiesbaden, Siemens PG).

[Bearbeiten] Wirkungsgrad

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, d. h. der Wirkungsgrad erhöht sich. Die Anlage wird aber komplizierter und teurer.

Der außerordentlich hohe exergetische Wirkungsgrad beim GuD-Kraftwerk wird dadurch erreicht, dass die Enthalpie der Abgase bei hohem Temperaturniveau in technische Arbeit umgesetzt wird. Die theoretischen Verbrennungstemperaturen von Erdgas mit atmosphärischer Luft liegen bei ca. 2000°C. Aufgrund der strahlenden Flamme wird ein Teil der Enthalpie bei der chemischen Reaktion durch Strahlung abgegeben. Die zulässigen Eintrittstemperaturen der Gasturbinen liegen bei 1500°C und die Austrittstemperaturen bei 600°C. Die Gasturbinen haben abhängig von der Leistung einen exergetische Wirkungsgrad (Enthalpie des Abgas bezogen auf die elektrische Leistung) von 35 % (10 MW_el) bis 40 % (100 MW_el). Das Abgas verlässt die Gasturbine mit einer Temperatur von 650°C.

Bei der einstufigen Anlage wird das Abgas in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von überhitztem Dampf genutzt. Der größte Teil der Abgasenthalpie wird für die Verdampfung bei der Sattdampftemperatur benötigt. Wenn der Abhitzkessel bei 100 bar betrieben wird liegt die Sattdampftemperatur bei 312°C und die Verdampfungsenthalpie des Wassers beträgt 1300 kJ/kg. Auf dem höherem Temperaturniveau kann noch die Abwärme für die Überhitzung genutzt werden, dieser Anteil ist aber relativ (180 kJ/kg bei einer Heißdampftemperatur von 500°C) gering. Eine weitere Nutzung der Abgasenthalpie findet durch die Speisewasservorwärmung statt.

Zur Erhöhung des exergetische Wirkungsgrads werden Verdampfungsheizflächen auf zwei Druckniveaus verwendet. Das Speisewasser wird mit zwei getrennten Speisewasserpumpen dem Speisewasserbehälter entnommen und zwei getrennten Speisewasservorwärmern zugeführt. Die Verdampfung und Überhitzung erfolgt auf verschiedenen Temperaturniveaus. Diese Anordnung ist thermodynamisch vorteilhaft, da die Abwärme auf versetzten Temperaturniveaus genutzt wird. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Auskopplung der Wärme und der Zuführung im Kreisprozess, desto höher ist der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtprozesses.

Stand der Technik bei GuD Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, d.h. ohne eine weitere Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken oder als Prozesswärme, ist die Verwendung eines Drei-Druck Prozess mit Zwischenüberhitzung. Hierbei kommt meist eine Gastubine der sogenannten "F-Klasse" zum Einsatz. Die elektrische Leistungen dieser Anlagen liegen bei etwa 400 MW. Die Verdampfung findet auf drei verschiedenen Drucknievaus statt (Hochdruck bei etwa 130 bar, Mitteldruck bei 30 bar und Niederdruck bei 8 bar). Der Dampf wird nach der Verdampfung überhitzt (Hochdruck: auf etwa 570°C). Nachdem der Hochdruckdampf in der Turbine entspannt wurde, wird er zum Kessel zurückgeführt, mit dem Mitteldruckdampf vermischt und nochmals auf etwa 570°C überhitzt. Theoretisch wäre ein Vier-Druck Prozess oder eine weitere Zwischenüberhitzung denkbar, allerdings ist der zusätzliche Wirkungsgradgewinn sehr gering. Der Drei-Druck Prozess mit einer Zwischenüberhitzung stellt momentan das wirtschaftliche Optimum dar.

Mit dem bisher erreichten exergetischen Wirkungsgrad von 58,4 % und einem Wirkungsgrad der Gasturbine zur Stromerzeugung von 40 % liegt der exergetische Wirkungsgrad der Abwärmenutzung bei 18,4 %.

[Bearbeiten] 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 allerdings die erzeugte mechanische Arbeit und der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtprozesses. Betrachtet man im unteren Bereich des Kraftwerkskreisprozess im TS-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

$\Delta h_v = 2256\; kJ/kg$

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

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

Ohne Wärmenutzung werden bei der Kondensationstemperatur von 30°C die Enthalpie von $Δ h v = 2430 k J / k g$ über den Kühturm 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 insgesamt sehr gering im Vergleich zur erzeugten Energie. 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 über das Jahr mehr als 70 % beträgt. Auch in anderen Ländern gibt es ähnliche Vergünstigungen.

[Bearbeiten] 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 angekoppelten 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 verbrennen. 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 wird. Der Gesamtwirkungsgrad ist ebenfalls höher als der einfacher Dampfkraftwerke.