Technologie

Turbinen für die Energiewende

13.08.2021 - DLR und Siemens forschen an der nächsten Generation von Turbinen für Gaskraftwerke.

Große Turbinen in Gaskraftwerken zählen zu den leistungs­fähigsten Maschinen für eine zuver­lässige Energie­versorgung. Für die Energie­wende wird diese Techno­logie noch länger eine zentrale Rolle spielen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt arbeitet deshalb gemeinsam mit dem Unter­nehmen Siemens daran, die nächste Generation von Turbinen zu entwickeln. Im Fokus stehen zwei Aspekte. Beide sind eng mit der nach­haltigen Umgestaltung unseres Energie­systems verbunden. Erstens: Wie lassen sich Kraftwerks­turbinen auch in Teillast sicher und möglichst effizient betreiben? In naher Zukunft werden Gaskraft­werke zunehmend als Reserve dienen, weil sie sich schnell hoch­fahren lassen. So können sie kurz­fristige Ausfälle bei der Strom­produktion aus erneuer­baren Ressourcen auffangen und Last­spitzen zuverlässig abdecken. Gaskraf­twerke tragen damit zu einer stabilen und sicheren Strom­ver­sorgung in einem Energie­system bei, das auf einem immer größeren Anteil an erneuer­baren und fluktu­ie­renden Quellen wie Sonnen- und Windenergie beruht. Der zweite Aspekt: Wie verhalten sich Gasturbinen, wenn statt Erdgas alter­native Kraftstoffe zum Einsatz kommen? Dazu zählen zum Beispiel Biogas, Synthesegas oder Wasserstoff als Beimischung von nahezu hundert Prozent.

Grob vereinfacht nutzen Gasturbinen die innere Energie eines heißen Gasgemisches, um Rotor­schaufeln anzu­treiben. Diese treiben einen Generator an, der Strom erzeugt. Bereits seit 2016 entwickelt das DLR-Institut für Antriebs­technik gemeinsam mit Siemens Energy eine in dieser Form einmalige Versuchs­turbine. Diese wurde im November 2020 am DLR-Standort in Göttingen angeliefert und vom Team der Abteilung Turbine erfolgreich in einen eigens aufgebauten Prüfstand integriert.

Die Turbine ist ungefähr halb so groß wie das Original für den Einsatz in Kraftwerken und wiegt zwölf Tonnen. Das DLR ist eine der wenigen Einrichtungen auf der Welt, die Tests in dieser Größe überhaupt realitätsnah durch­führen können. Es besitzt die entsprechende Prüfstands-Infra­struktur sowie das notwendige Know-how. Wichtig ist es dabei, dass der heiße Gasstrom im Inneren der Turbine trans­sonische Geschwindig­keiten besitzt. Nur so können zentrale technische Kenngrößen vergleichbar nach­ge­stellt werden. Neben der richtigen, hohen Geschwin­dig­keit sind auch die Temperatur­ver­hältnisse wichtig. Stimmen sie nicht, sind die Kühleffekte an den Schaufeln nicht aussage­kräftig.

Auf etwa 1,5 Metern Länge verfügt die Versuchs­turbine über gut tausend Mess­stellen. Zum Einsatz kommen Druckluft-Mess­sensoren, stationäre Druck­transmitter und optische Mess­verfahren. Letztere ermöglichen es, mit Hilfe von speziellen Lasern in die Strömung im Inneren der Turbine hinein­zu­schauen, ohne diese zu beein­flussen. Die gemessenen Daten geben einen Einblick, welche Temperaturen und Drücke an welcher Stelle herrschen, wie sich die Gasströme im Inneren verhalten und wie der Zustand der Schaufeln ist. Auch die möglichst präzise Bestimmung des Wirkungsgrads, der Strömungs­verluste sowie die Analyse der Wärme­entwicklung und der Kühlungs­prozesse ist Teil der mess­technischen Unter­suchungen.

Besonders interessieren sich die Forscher dafür, wie sich die Kühlluft über die Schaufeln legt und wie sich dieser Prozess optimieren lässt. „Denn je mehr Kühlluft wir in der Turbine benötigen, desto geringer wird ihr Wirkungs­grad“, beschreibt Projekt­leiter Philipp Weggler den Zusammen­hang. „Deshalb wollen wir mit Kühlluft so sparsam wie möglich umgehen. Gerade im Teillast­betrieb darf die Schaufel auch nicht über­hitzen. Sonst verschleißt diese schneller und muss früher in aufwändigen Reparaturen ausge­tauscht werden.“ Dazu tastet sich das Team in den Versuchen an die Grenzbereiche heran. Sie testen einerseits aus, wo diese beim Voll­last­betrieb liegen und unter­suchen anderer­seits auch den niedrigsten Teil­last­betrieb von etwa zwanzig Prozent der Leistung. An diesem Arbeits­punkt bleiben üblicher­weise im Kraftwerk alle Komponenten so temperiert, dass die Turbine flexibel und schnell wieder hoch­ge­fahren werden kann.

Außerdem wollen die Wissenschaftler heraus­finden, wie sich die einzelnen Stufen des Rotors zueinander verhalten. Die Versuchs­turbine verfügt über einen 2,5-stufigen Rotor. Jede Stufe besteht aus Stator und Rotor, diese beiden Komponenten arbeiten im Team: Der Stator lenkt die Strömung um auf den Rotor und der Drall der Strömung wird im Rotor durch die entgegen­gesetzte Umlenkung in Turbinen-Arbeit umgesetzt. „Um möglichst gute Kühleffekte und damit hohe Wirkungs­grade zu erreichen, schauen wir ganz genau darauf, wie sich die Gasströme in der Turbine zwischen den Statoren und Rotoren verhalten, welche Wirbel und Turbulenzen dort gegebenen­falls entstehen und wie sich das alles gegen­seitig beein­flusst“, erklärt Weggler. Nach mehreren umfang­reichen Mess­kampagnen will sein Team im Herbst erste umfang­reiche Daten­sätze erstellt haben. Diese gleichen sie dann mit den Simula­tionen am Computer ab. So kann der „digitale Zwilling“ der Versuchs­turbine immer weiter verbessert und zukünftige Entwicklungen beschleunigt werden.

In Zukunft wollen sie außerdem genauer untersuchen, wie die Turbine reagiert, wenn Biogas, Synthese­gase oder Erdgas-Wasserstoff-Gemische eingesetzt werden. Dabei verändern sich die Rand­bedingungen bei der Verbrennung. Dies wirkt sich auf den Betrieb der Turbine aus. Deshalb soll in Zukunft auch verstärkt das Zusammen­spiel von Brenn­kammer und Turbine untersucht und mögliche Effizienzen­steigerungen ermittelt werden: denn ein schonender Umgang mit wert­vollen Ressourcen ist und bleibt von hoher Wichtig­keit.

DLR / RK

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