Verbundprojekt ECOFlex-turbo - Tranche 1

Um der Komplexität und Vielzahl der Forschungsaufgaben und Projektideen gerecht zu werden, wurde dem Programm eine Struktur gegeben, die die Themen einzelnen Komponenten der Turbomaschine in sogenannten Teilverbundprojekten zuordnet. Diese Teilverbundprojekte (TVP) heißen Verdichtung, Verbrennung, Kühlung und Expansion. Die Herausforderungen und technischen Ziele der TVPs sind im engen Zusammenhang mit den Erfordernissen zu sehen, welche sich aus den Randbedingungen zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende ergeben und Auswirkungen auf Neu- und Bestandsanlagen der fossilen Kraftwerksflotte in Deutschland haben:

Teileverbundprojekt Verdichtung

Aus der Energiewende mit ihren nachhaltigen Änderungen im Stromerzeugungsmarkt resultieren signifikant abweichende Betriebsanforderungen an thermische Kraftwerke mit neuen und zusätzlichen Herausforderungen für Verdichter. Für eine hohe Betriebsflexibilität mit sehr schnellen und gegebenfalls häufigen Lastwechseln sind robustere Verdichter erforderlich, die über einen möglichst breiten Arbeitsbereich einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Insbesondere im Bereich der Betriebsflexibilität und der erhöhten Lebensdauer bei kurzen Betriebszyklen werden weitere Entwicklungen angestrebt, die zu einer robusten Ausführung der Kompressoren führen. Die betriebsinduzierte Lebensdauerbestimmung muss erweitert und darauf aufbauend müssen effiziente Technologien für lebensdauersteigernde Maßnahmen entwickelt werden. Die technologischen Fragestellungen beim Verdichter adressieren auch weiterhin die Steigerung der Effizienz, insbesondere auch der Teillasteffizienz.

Teileverbundprojekt Verbrennung

Im Programm ECOFlex-turbo werden die zu Last- und Brennstoffflexibilität mit Blick auf die Energiewende wesentlich intensiver behandelt werden, ohne die Steigerung der Gesamtperformance aus dem Blick zu verlieren. Gasturbinenanlagen werden bei der Stabilisierung der Stromnetze in Zukunft eine noch wichtigere Rolle spielen. Es wird ein im Vergleich zu heute massiv geändertes Anforderungsprofil, was Last- und Brennstoffflexibilität der Brennkammer betrifft, wirksam sein. Dies stellt erhebliche Herausforderungen an die Verbrennungstechnik. Auch bei extrem niedrigen Lasten, mit in diesem Betriebszustand niedrigen Flammentemperaturen und Massenströmen, sind die Emissionsgrenzen (zum Beispiel CO) einzuhalten und Verlöschung zu verhindern. Der Lastfolgebetrieb mit hohen Leistungsgradienten stellt erhebliche Anforderungen an die thermoakustische Stabilität und die Regelfähigkeit des Verbrennungssystems. Da im Verbrennungssystem auch die höchsten Temperaturen der Gasturbine auftreten, führen An- und Abfahrvorgänge hier zu erheblicher thermozyklischer Belastung der Materialien. Weiterhin ist davon auszugehen, dass sich die Brennstoffbasis für Gasturbinen zunehmend diversifizieren wird. Flüssiggas, Biogas, Hochofengas, Synthesegas erfordern zunehmend breitere Brennstoffspezifikationen. Wasserstoff - auch als Speichermedium aus der regenerativen Energieerzeugung - fordert die Fähigkeit der Gasturbine, wasserstoffreiche oder am besten Brenngase mit deutlich wechselndem Wasserstoffgehalt in ein und demselben Verbrennungssystem zu beherrschen.

Teileverbundprojekt Kühlung

Die für eine hohe Effizienz notwendigen hohen Prozesstemperaturen und -drücke erfordern zur technischen Realisierung im heißgasbeaufschlagten Bereich Bauteile aus hochwarmfesten Materialen. Neben der Weiterentwicklung von Materialen mit hoher Temperaturstandfestigkeit kam und kommt der Entwicklung geeigneter Kühlmethoden eine zentrale Rolle zu. Damit konnte in den vergangenen 20 Jahren bis heute eine Erhöhung der Einsatztemperatur von weit mehr als 500° C erreicht werden. Die Heißgastemperaturen liegen heute deutlich über den Schmelztemperaturen der eingesetzten metallischen Werkstoffe. Das Ziel bei der Entwicklung von Kühlungstechnologien war und ist die Minimierung der eingesetzten Kühlluft, um sowohl die für den thermischen Wirkungsgrad hohen Prozessdrücke und -temperaturen zu erreichen als auch die parasitären Verluste zu minimieren.

Für zukünftige Anwendungen des Gasturbinenprozesses wird aus bereits genannten Gründen die Flexibilität, also schnelle Lastwechsel und rasches An- und Abfahren, immer wichtiger. Die Lebensdauer der mit Heißgas beaufschlagten Bauteile wird neben der zyklischen Belastung durch An- und Abfahrvorgänge im Wesentlichen durch die maximalen mechanischen Lasten und die Bauteiltemperaturen und ihre Gradienten bestimmt. Diese Temperaturgradienten hängen wiederum direkt vom Lastwechselbetrieb ab. Eine Optimierung der Kühlmethoden und ihrer Auslegung ist daher auch im Hinblick auf eine Maximierung der Lebensdauer eine wichtige Voraussetzung für den umweltfreundlichen und gleichzeitig wirtschaftlichen Betrieb von Gasturbinen im stark zyklischen Betrieb. Diese Themen sollen mit hoher Priorität im neuen Programm ECOFlex-turbo bearbeitet werden.

Teileverbundprojekt Expansion

Im Verbundprogramm ECOFlex-turbo besteht nach wie vor der Anspruch, dass die Turbinen weitere Wirkungsgradsteigerungen bei gleichzeitiger Kostenoptimierung erfahren. Gleichzeitig müssen die Anlagen unter Berücksichtigung höherer zulässiger Lastwechselzahlen und Lastwechselgeschwindigkeiten ausgelegt werden, um somit die Schwankungen bedingt durch die fluktuierende Einspeisung von Wind- und Solarstrom ausgleichen zu können. Dabei steht im Vordergrund, durch Neuentwicklungen eine optimale Integration in die immer stärker durch regenerative Energiewandler geprägte Energieerzeugungsumgebung zu erreichen.