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 (DLR) arbeitet deshalb gemeinsam mit dem Unternehmen Siemens daran, die nächste Generation von Turbinen zu entwickeln.

Betrieb in Teillast und flexibler Einsatz von Brennstoffen

Im Fokus stehen zwei Aspekte.

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 100 %.

Versuchsturbine auf DLR-Hightech-Prüfstände

Grob vereinfacht nutzen Gasturbinen die innere Energie eines heißen Gasgemisches, um Rotorschaufeln anzutreiben. Diese treiben einen Generator an, der Strom erzeugt. Besonders interessieren sich die DLR-Forschenden 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 Dr. 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.“

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.

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.