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23. April 2021

Dezentrale Gasturbinenanlagen unterstützen die Energiewende

Neue Technologien für kleine Industriegasturbinen der 8-Megawatt-Klasse haben Tests erfolgreich bestanden und KWK-Wirkungsgrade über 85 Prozent erzielt.

Dezentrale Gasturbinen in Industrieanlagen spielen eine wesentliche Rolle im Verbund mit erneuerbaren Energieträgern. Scheint keine Sonne oder weht kein Wind können sie schnell Strom produzieren. Im Projekt Grüne Erde, das 2018 erfolgreich abgeschlossen wurde, haben die Forscherinnen und Forscher eine kleine Gasturbine der 8-Megawatt-Klasse entwickelt. Die Turbine lässt sich auch mit synthetisch erzeugten Gasen betreiben und verfügt über eine robuste Bauweise für schnelle Lastwechsel. Unter Koordination von MAN Energy Solution hat das Projektteam im nun nachfolgenden Vorhaben GREEN BELT  die neue Gasturbine unter realistischen Bedingungen auf einem Prüfstand erfolgreich getestet, bewertet und weiterentwickelt. Neben Tests der kompletten Gasturbine wurden ergänzende Untersuchungen an Einzelkomponenten, beispielsweise der Laststeuerung, durchgeführt, um eine breite Betriebs-und Brennstoffflexibilität sicherzustellen. An den Forschungsarbeiten waren neben MAN Energy Solution, die Technischen Hochschule Berlin, die Ruhr-Universität Bochum und das Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik beteiligt. Seit Ende 2020 läuft der erste kommerzielle Betrieb beim Energieversorger Oberhausen (EVO).

Software unterstützt Verbrennungsprozesse bei flexibler Gaszusammensetzung

Künftig wird der Einsatz synthetischer Brenngase auf Basis von Wasserstoff weiter zunehmen. Diese Gase entstehen bei der chemischen Speicherung von Energie und können mit Gasturbinen rückverstromt werden. Sie verfügen, je nach Zusammensetzung, über unterschiedliche Brenneigenschaften. Um den industriellen Einsatz dieser Gase vorzubereiten, haben die Forscherinnen und Forscher in einem einsehbaren Brennerprüfstand die Topologie der Flammen in einer Brennkammer untersucht. Ziel war es, das von MAN eingesetzte Rechenverfahren CANTERA, zu testen. Dabei handelt es sich um eine freie Software, die dazu dient, Probleme bei Verbrennungsprozessen zu lösen. MAN setzt das Vorhersagetool ein, um thermische Belastungen und schädliche Stickstoffdioxidmengen bei der Verbrennung flexibler Gase zu berechnen. Die Ergebnisse haben bestätigt, dass sowohl die mit der Test-Brennkammer als auch die mit der Software ermittelten Daten nahezu übereinstimmen. Genutzt wird CANTERA beispielsweise auch im Automobilsektor und in der chemischen Industrie.
Die Laststeuerung der Gasturbine erfolgt mit Hilfe von exakt positionierten Sonden am Austritt der Brennkammer. Wichtig ist es, die Interaktionen der sogenannten heißen Strähnen (hot streaks) aus der Brennkammer einer drei-stufigen Gasturbine zu ermitteln. Dazu haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Berechnungsverfahren weiterentwickelt, welches zeitabhängige Einflüsse berücksichtigt. Sollte eine der Brennkammern nicht zünden, kann die veränderte Strömung der heißen Gase berechnet werden. Damit lässt sich prüfen, wie dieses für die Gasturbine gefährliche Szenario von den Austrittssonden wahrgenommen wird, um die Sicherheit der Gasturbine auch in diesem Betriebszustand zu gewährleisten.

Lebensdauer verlängern durch optimierte Bauteile

In weiteren Untersuchungen hat das Projektteam geprüft, wie sich Risse in gelochten dünnwandigen Blechbauteilen der Gasturbine ausbreiten. Diese Bauteile sind besonders hohen Temperaturen ausgesetzt und werden im Schalldämpfer der Brennkammer eingesetzt. Die gewonnenen Erkenntnisse haben dazu geführt, die Geometrie der Bauteile zu optimieren und ihre Haltbarkeit zu verlängern.

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