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Technologie und Innovation

Mehr Brennstoffflexibilität für Gasturbinen

Gasturbinen können die verschiedensten gasförmigen oder flüssigen Brennstoffe verfeuern. Aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht wäre es unklug, dieses Potenzial nicht auszuschöpfen – der Branchentrend geht eindeutig zu mehr Brennstoffflexibilität. Mit dem technischen Fortschritt wachsen aber auch die Ansprüche der Kunden.

„Schlussendlich geht es darum, die perfekte Flamme zu schaffen“, sagt Martin Urban. Diese Aussage mag wie ein philosophischer Grundsatz klingen, oder vielleicht wie ein Songtext, doch er bezieht sich auf die Herausforderung, die verschiedensten gasförmigen und flüssigen Brennstoffe mit der höchstmöglichen Energieausbeute bei gleichzeitig geringstmöglichen Emissionen zu verbrennen. „Erinnern Sie sich an den Bunsenbrenner aus dem Chemieunterricht? Anfangs ist die Flamme leuchtend gelb, mit viel Ruß – aber sie ist enorm stabil. Wenn man dann die Luftzufuhr aufdreht, wird die Flamme blau. Das ist ein Zeichen dafür, dass es sich um eine sehr saubere Flamme mit gleichmäßiger Wärmeverteilung und geringen Emissionen handelt.“ Brennstoff zu verfeuern ist prinzipiell nicht schwierig. Jeden beliebigen Brennstoff mit gleichbleibend geringen Emissionen zu verbrennen, ist jedoch eine Wissenschaft für sich – und Urban und sein Team haben sie perfektioniert: „Der Schlüssel ist die perfekte Mischung von Luft und Brennstoff.“

Als Vice President for Global Product Development for Distributed Generation bei Siemens ist es Urbans Aufgabe, die Spezifikationen, Zeichnungen und Modelle zu liefern, damit Industrie- und aeroderivative Gasturbinen in kleinen und mittleren Stromerzeugungsprojekten in schwierigen und sich schnell ändernden Rahmenbedingungen bestmöglich funktionieren. Die Gasturbinen werden für lokale Lösungen wie städtische Stromversorgung oder industrielle Stromerzeugung eingesetzt, aber auch für Übergangslösungen wie Notstrom in Katastrophengebieten oder die Sicherstellung der Stromversorgung bis größere, permanente Energieinfrastruktur einsatzbereit ist. Eine Herausforderung eint diese verschiedenen Anwendungsszenarien: Die Maschinen müssen mit dem Brennstoff laufen, der gerade vor Ort verfügbar ist.

Diffusionsflamme und Vormischbrenner
„Die gelbe Flamme heißt Diffusionsflamme“, erklärt Urban. „Vor etwa zwanzig Jahren war die Diffusion die vorherrschende Verbrennungstechnik. Sie erzeugt aber zu viele Emissionen und ist ineffizient.“ Die Lösung für beide Probleme bietet sich mit dem Vormischen des Brennstoffs mit Luft. Das Ergebnis: Eine saubere, blaue Flamme mit optimaler Temperaturverteilung. Heute arbeiten alle Spitzensysteme mit Vormisch-brennern für die beste Energieausbeute bei niedrigsten Emissionen. Für schwer entzündliche Brennstoffe nutzen manche Gasturbinen noch eine Diffusionsflamme zum Anzünden. „Brennstoffflexibilität ist die Fähigkeit, die verschiedensten Brennstoffe nutzen zu können – aber auch, ihre Emissionen im Griff zu haben“, sagt Urban. In der Praxis kann die Brennstoffqualität wie auch die Brennstoffart grundsätzlich abweichen.

Brennstoffflexibilität ist die Fähigkeit, die verschiedensten Brennstoffe nutzen zu können – aber auch, ihre Emissionen im Griff zu haben
Martin Urban, Vice President for Global Product Development for Distributed Generation bei Siemens



So beispielsweise in der Öl- und Gasindustrie, wo kleine Gasturbinen wie die beliebte RB211 zur Stromerzeugung auf Offshore-Ölplattformen eingesetzt werden. Das Erdgas für diese Anwendung kommt aus verschiedenen Quellen. Betreiber haben teils Zugang zu Erdgas in Pipelinequalität, werden aber auch Restgas direkt von der Ölquelle oder Prozessgas verwenden. Beim Restgas ändert sich die chemische Zusammensetzung mit der Zeit. Auch wenn ein Ölförderer anfangs eine klare Vorstellung von der Zusammensetzung des Gases hatte, kann niemand mit Sicherheit sagen, wie hoch genau die Kohlendioxid-, Ethan- oder Propananteile – um nur einige der möglichen Komponenten zu nennen – in fünf oder zehn Jahren sein werden. Und dann gibt es noch Störfalle, in denen beispielsweise ein sofortiger Brennstoffwechsel von der Hauptquelle mit 2 Prozent Kohlendioxid zu einer zweiten Quelle mit 25 Prozent Kohlendioxid nötig wird. Von einem Moment zum nächsten ist damit die Einhaltung der Emissionsvorschriften ungleich schwerer geworden.

Überraschungsmomente und Echtzeitsteuerung
Wenn sich früher die Brennstoffqualität änderte, musste der Brenner an die neuen Parameter angepasst und ausgewechselt werden. Die heutigen Anforderungen sehen einen deutlich schnelleren Brennstoffwechsel vor; die Verbrennungstechnik muss sich nahezu in Echtzeit an diesen Wechsel anpassen können. Den Schlüssel zu integrierter, langfristiger Flexibilität bilden eine änderungstolerante Hardware und eine Regeltechnik, die – basierend auf den von den zahlreichen Datenpunkten übermittelten Echtzeitdaten – intelligent die Ventile und Luftzufuhr genau einstellt. Die Intelligenz liegt dabei eigentlich in der Vormischung und dem Verwirbeln eines optimalen Luft-Brennstoff-Gemischs, das die perfekten Bedingungen für die Energieumwandlung bietet. „Heute können wir unseren Kunden in Sachen Brennstoffflexibilität schon viel mehr anbieten als noch vor kurzer Zeit“, sagt Urban. „Die Flexibilität bezieht sich sowohl auf den Bereich im Wobbe-Index, den wir abdecken können, d.h. die variable Zusammensetzung des Gases, als auch auf die Änderungsgeschwindigkeit.“

Um die Vormischung zu optimieren, wurde viel an einer verbesserten Brennergeometrie geforscht und getestet: Die Zahl der Regelventile wurde erhöht, Kanten eingebaut, um die einströmende Luft aufzuwirbeln und die Lüftungsschlitze verstellbar gemacht, um das Volumen und die Geschwindigkeit der eintretenden Luft genau zu regeln. Vergleicht man alte Diffusionsbrenner mit den hochmodernen Dry-Low-Emissions-(DLE)-Verbrennungssystemen der dritten Generation, die derzeit in der SGT-600, SGT-700 und SGT-800 zum Einsatz kommen, wird einem der enorme Fortschritt der Brennerarchitektur vor Augen geführt.

Mit Regelventilen und verstellbaren Lüftungsschlitzen wird in Brennern die optimale Mischung von gasförmigem Brennstoff und Luft erreicht – und so die Voraussetzung für die perfekte Flamme.



Betrieb mit gasförmigen und flüssigen Brennstoffen
In Lateinamerika wollte ein Kunde Gas und flüssigen Brennstoff verfeuern. Für die ersten zwei Betriebsjahre wollte er Öl jedoch als ausschließlichen Hauptbrennstoff verwenden. Damit würde er sofort mit der Stromerzeugung beginnen können; die so generierten Mittel würde er in die Projektentwicklung und den Bau einer Gaspipeline investieren. Normalerweise wird im Dual-Fuel-Betrieb der flüssige Brennstoff nur im Notfall eingesetzt, wenn die Gasversorgung unterbrochen ist. Das Öl wird dann direkt bei laufendem Betrieb in die schon aufgewärmte Maschine injiziert und versorgt den Verbrennungsvorgang nahtlos weiter. „Aus der Praxis haben wir bisher kaum 8000 durchgängige Betriebsstunden im Ölbetrieb“, erklärt Urban die Schwierigkeit dieses Anwendungsszenarios. „Aber wir haben nun beschleunigte Validierungsprozesse: Das sind Systeme, die unsere Produkte in kurzer Zeit so testen, als wären sie ein Jahr im Dauerbetrieb gelaufen.“

Eine solche Herausforderung in Sachen Brennstoffflexibilität erfordert immer einen ganzheitlichen Ansatz. Während die Brennerarchitektur das Herzstück innovativer Gasturbinentechnologie bildet, müssen jeweils auch alle anderen Teile der Gasturbine hinterfragt werden.

Mit intelligenten Daten aus der Erfahrung lernen
Ein so flexibler Betrieb von Gasturbinen, perfekt auf die regionalen Bedingungen und Brennstoffspezifikationen abgestimmt, wurde erst dank Echtzeit-Sensordatenerhebung und fortschrittlichem Maschinellen Lernen ermöglicht. „In unserem Service Data Center in Nürnberg messen wir kontinuierlich den Verbrennungsverlauf. Welche Schwingungen können wir in der Brennkammer ausmachen? Welche Temperaturen herrschen in welchem Teil der Gasturbine? Welche Abgase fallen an?“ so Urban. Basierend auf diesem kontinuierlichen Datenfluss kann Siemens entscheiden, ob man den Kunden zu einem effizienteren Betrieb rät oder eine Anpassung der Parameter an die Anforderungen eines neuen Brennstoffs empfiehlt. Er fügt hinzu: „Heute können wir den Verbrennungsprozess in Echtzeit optimieren. Mit dem Gaschromatographen verfolgen wir jede Veränderung in der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffs und helfen so, einen stabile Verbrennungsprozess herzustellen, mit maximaler Effizienz bei ständiger Einhaltung der Emissionsvorschriften.“ Diese auf der ganzen Welt erhobenen Betriebsdaten werden in ein Maschinelles Lernprogramm gespeist, das so zur intelligentesten Regeltechnik wird, die man sich vorstellen kann.

In Alaska wollte ein Kunde sicherstellen, dass er seinen Brennstoff mit der erwarteten Brennstoffflexibilität würde verwenden können, und zwar nicht nur unter Versuchsbedingungen, sondern unter tatsächlichen Betriebsbedingungen, d.h. bei bis zu -60 Grad Celsius. „In einer solchen Umgebung sind die Anforderungen an das Verbrennungssystem völlig andere als bei 20 Grad Celsius“, sagt Urban. „Dank der intelligenten Regeltechnik können wir diese Betriebsbedingungen validieren, indem wir vergleichbare Erfahrungen, beispielsweise aus Sibirien, heranziehen.”

Verschiedene Brennstoffe für Gasturbinen.



Wasserstoff: eine besondere Herausforderung
In Deutschland wollte eine große Raffinerie ihre Gasturbine mit stark wasserstoffhaltigem Abfallgas befeuern – der Gehalt betrug 15 Prozent. Bisher wurde dieses Gas einfach abgefackelt und sein Brennwert vergeudet. Mit der Nutzung dieses Nebenprodukts zur Energiegewinnung spart das Unternehmen nun nicht nur Brennstoffkosten, sondern auch noch die Umweltauflagen, die beim Verbrennen von Abgasen anfallen. Selbst Koksofengas, ein stark verunreinigtes Nebenprodukt der Stahlerzeugung mit sehr niedrigem Brennwert, kann noch zur Stromerzeugung genutzt werden.

Doch die Herausforderung, Wasserstoff zu verbrennen ist eine ganz besondere: es besteht nicht nur die Gefahr der Wasserstoffversprödung, die Flamme hat auch eine sehr hohe Ausdehnungsgeschwindigkeit. Um die Brenner-Hardware zu schützen, muss die Flammengeschwindigkeit niedriger sein als die der Luftzufuhr; sonst wird die Flamme zurück in den Brenner gesaugt und könnte die Brennstoffzufuhr zünden. „Für unsere Standardbrenner in der SGT-600, SGT-700 und SGT-800 haben wir dieses Problem gerade gelöst und können nun bis zu 45 Prozent Wasserstoff beimischen“, erzählt Urban stolz. „Das erzielen wir durch eine besondere Brennerspitze, die fast aussieht wie ein Sieb – ein ausgeklügeltes System, das nur durch Additive Manufacturing möglich wurde. Der Wasserstoff wird hier mit kleinsten Strahlen in den Brenner geradezu reingeschossen, und überholt so die Flammengeschwindigkeit.“

Innovationsgeschwindigkeit
Schnelle Brennstoffwechsel, Brennstoffflexibilität mit Dry Low Emissions, Betrieb bei Gas- und Flüssigbrennstoff, die Verbrennung von Wasserstoff in einer Gasturbine – was hat diesen unglaublichen Innovationsschub in den letzten Jahren möglich gemacht? „Es gab Fortschritte in der Materialwissenschaft, in der Aerodynamik, dem Verbrennungsprozess und in der Fertigung. Wir haben auch Technologiesprünge in der numerischen Simulation, beim Testen und Validieren mit digitalen Methoden und dem Additive Manufacturing erlebt“, sagt Urban. „Aber ein Faktor ist sicherlich das Know-how, das wir hier bei Siemens vereinen – vom aeroderivativen Gasturbinenportfolio bis zum Industriegasturbinenportfolio, ergänzt durch die Expertise aus dem Öl- und Gasgeschäft von Dresser-Rand.“

Martin Urban erwartet, dass sich der Innovationszyklus immer schneller drehen wird. Die Genauigkeit der Vormischung, die exakte Simulation von Verbrennungsprozessen, und der schnelle Prototypenbau werden ihren Beitrag zu weiteren Innovationen im Gasturbinenbau leisten. Es gilt, die nächste Technologiegrenze in Sachen elektrische Effizienz oder Flexibilität zu durchbrechen. Jetzt, wo das Additive Manufacturing viele Design- und Fertigungsbeschränkungen aufgehoben hat, scheint sich die Spielwiese des Ingenieurs in alle Richtungen auszuweiten. Auch die Anwendungsbereiche werden vielfältiger werden: Die technologischen Fortschritte haben nicht nur die Phantasie der Ingenieure beflügelt, sondern auch die der Kunden.

Barbara Simpson ist Wirtschaftsjournalistin in Zürich.
Picture credits: Siemens AG