mini|Zwei 40 MW Gasturbinenblöcke(Gasturbinenkraftwerk Ahrensfelde: links: Luftfilter, Mitte: gemeinsame Abgasreinigung)
mini|Gasturbinenkraftwerk Bernburg
Ein Gaskraftwerk ist ein Kraftwerk, welches als Primärenergiequelle die chemische Energie aus der Verbrennung eines Brenngases nutzt. Mit Abstand am häufigsten wird Erdgas eingesetzt, daneben auch Biogas, Holzgas, Kohlegas, Kuppelgase u. a. Brenngas. Wird die Bezeichnung Gaskraftwerk ohne nähere Angabe verwendet, so handelt es sich in der Regel um Erdgas. Bei anderen Brenngasen wird die Art zumeist im Namen aufgeführt (Biogaskraftwerk, Gichtgaskraftwerk etc.).
Die Stromerzeugung mittels Gaskraftwerken wird als Gasverstromung bezeichnet. Diese Verstromung des Brenngases kann mit verschiedenen Arten von Wärmekraftwerken erfolgen: Neben klassischen Dampfkraftwerken oder Wärmekraftmaschinen (Gasturbinen oder Gasmotoren) mit Erdgasfeuerung sind heute vor allem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke gebräuchlich. Unüblich ist die Bezeichnung als Gaskraftwerk für Brennstoffzellenkraftwerke, obwohl diese auch ein Brenngas umsetzen, und zwar meist Wasserstoff, der auch durch Reformierung aus Erdgas gewonnen werden kann.
Brenngase mini|5 MW 20-Zylinder V-Gasmotor(von GE Jenbacher zur elektrischen Energieerzeugung durch Holzgas im Heizkraftwerk Senden) mini|Deponiegas-Kraftwerk auf der Kreisabfalldeponie Beselich
In der Regel handelt es sich beim verbrannten Gas um Erdgas. Seltener kommen andere Brenngase zum Einsatz: Biogas, Kompogas aus der Vergärung von Biomasse (siehe Biogasanlage) Gas aus Biomassevergasung, insbes. Holzgas (siehe z. B. Biomass Integrated Gasification Combined Cycle, Holzvergasung) Kohlegas aus Kohlevergasung (siehe z. B. IGCC) Kuppelgase aus Industrieprozessen (Gichtgas, Hochofengas, Raffineriegas etc.) Deponiegas aus Abfalldeponien Grubengas aus (stillgelegten) Kohlebergwerken Wasserstoff, EE-Gas Flüssiggase
Gegenüber Festbrennstoffen (und eingeschränkt auch Flüssigbrennstoffen) weisen die meisten Brenngase für den Einsatz in Kraftwerken erhebliche technische Vorteile auf: Die Brennstoffversorgungssysteme (Zwischenlagerung, Aufbereitung, Förderung etc.) sind sehr viel einfacher im Aufbau. Da die meisten Gase wegen ihrer Inhaltsstoffe sehr „sauber“ (schadstoffarm) verbrennen, ist die Abgasreinigung stark vereinfacht. Auch fällt bei der Verbrennung keine Asche an. Dank all dieser Eigenschaften sind Brenngase – anders als Festbrennstoffe – auch als Kraftstoff für Verbrennungskraftmaschinen geeignet. Im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt ist zudem vorteilhaft, dass viele Brenngase ein hohes H/C-Verhältnis (Verhältnis Wasserstoff zu Kohlenstoff) aufweisen und daher bei der Verbrennung weniger klimaschädliches Kohlendioxid entsteht.
Die unten im Abschnitt Bauarten von Gaskraftwerken genannten Technologien für Brenngase sind jenen für Flüssigbrennstoffe sehr ähnlich. Insbesondere ältere Gaskraftwerke sind daher häufig „dual“ ausgeführt, so dass je nach Bedarf sowohl Gas als auch flüssige Brenn-/Kraftstoffe (Diesel, Heizöl etc.) eingesetzt werden können, d. h., das Kraftwerk wird dann ganz oder anteilig als Ölkraftwerk betrieben.
Bauarten von Gaskraftwerken Als Technologie für die Umwandlung der im Brenngas gespeicherten chemischen Energie in thermische, mechanische und letztlich elektrische Energie kommen verschiedene Arten von Wärmekraftwerken infrage:
Gasturbinen- und -motorenkraftwerke
mini|Schema eines Gasturbinenkraftwerkes (im Bild mit Dual-Brennstoff Gas und Öl) mini|Gasturbinenkraftwerk Thyrow, bestehend aus 2×4 Gasturbinensätzen, befeuert mit Erdgas und Heizöl Bei Gaskraftwerken dieser Bauart wird die Energie des Brenngases direkt in einer Verbrennungskraftmaschine in mechanische Antriebsenergie und weiter mittels eines angekuppelten Generators in elektrische Energie („Strom“) umgewandelt.
Bei den eingesetzten Maschinen handelt es sich meistens um Gasturbinen; alternativ kommen je nach Einsatzart und Größe auch Gasmotoren (interne Verbrennung) oder Stirlingmotoren (externe Verbrennung) infrage. Während Motoren vor allem als kleinere (Not-)Stromaggregate oder als kompakte Blockheizkraftwerke für die dezentrale Strom- und Wärmeversorgung verbreitet sind, finden größere Gasturbinenkraftwerke als Industriekraftwerke und in der öffentlichen Stromversorgung Verwendung (letzteres wegen der unten genannten Nachteile heute nur noch als Spitzenlastkraftwerk).
Gaskraftwerke dieser Bauart zeichnen sich durch ihren einfachen Aufbau, eine hohe Leistungsdichte, hohe Flexibilität mit kurzen Startzeiten (ca. 15 Minuten bis Volllast) und hohe Lastgradienten sowie niedrige spezifische Investitionskosten (Kosten pro Kilowatt) aus. Durch den Verzicht auf den Dampfprozess entfallen viele Systeme und Anlagenteile; die Anlage besteht im Wesentlichen nur aus der Maschine mit ihrem Verbrennungsluft- und Abgassystem sowie der Brennstoffversorgung und der elektrischen Netzanbindung (siehe Schema). Häufig wird bei solchen Anlagen auf ein Maschinenhaus verzichtet, die Maschine erhält nur eine einfache Wetterschutzhaube, die auch als Schallisolierung wirkt. Dank der hohen Verfügbarkeit und Automatisierung solcher Maschinen ist vor Ort kein ständiges Bedien- und Wartungspersonal erforderlich. Der Betrieb läuft weitgehend vollautomatisch, die Bedienung kann ferngesteuert erfolgen, eine Leitwarte vor Ort ist normalerweise nicht vorhanden.
Der Hauptnachteil von Verbrennungskraftmaschinen liegt in ihrem geringen Wirkungsgrad, der im einfachen Prozess („Simple Cycle“, d. h. nur Open Cycle ohne nachgeschalteten Dampfprozess) in der Regel nur bei maximal 30 % liegt. Da der hochwertige und teure Brennstoff so nur schlecht ausgenutzt wird, werden größere Gasturbinen- und -motorenkraftwerke in den meisten Ländern heute fast nur noch als „Peaker“ (Spitzenlastkraftwerk) eingesetzt. Wegen der Nachteile setzten sich in den 1990er-Jahren zunehmend Kombikraftwerke (siehe unten) durch. Ältere Kraftwerke aus der Zeit davor wurden überwiegend entweder zu Kombikraftwerken umgerüstet oder nur noch als schnellstartfähige Reserve betriebsbereit gehalten. Nur in Ländern, die über große eigene Gasvorkommen verfügen und in denen die Gaspreise entsprechend niedrig sind, werden Gasturbinen- und -motorenkraftwerke auch heute noch in der Mittel- und manchmal sogar Grundlast eingesetzt. Sonderfälle sind Kraftwerke, die Spezialgase wie Biogas, Grubengas, Deponiegas u. ä. verbrennen (siehe unten Abschnitt Brenngase).
Gasgefeuerte Dampfkraftwerke mini|Schema eines konventionellen, gasgefeuerten Dampfkraftwerkes mini|Typische Gas-Turmkessel mit aufgesetztem Kamin mit Rauchgasentschwefelung im Kraftwerk Berlin-Lichterfelde
Bei Gaskraftwerken dieser Bauart handelt es sich um konventionelle Dampfkraftwerke, deren Dampferzeuger (Kessel) über Gasbrenner mit einem Brenngas befeuert wird.
In ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise ähneln solche Gaskraftwerke anderen befeuerten Dampfkraftwerken: Der im Kessel erzeugte Dampf wird mittels einer Dampfturbine zur Stromerzeugung genutzt. Ein Kühlsystem (Kühlturm o. ä.) führt die unvermeidlich anfallende Abwärme an die Umgebung ab. Gegenüber Dampfkraftwerken, die mit Festbrennstoffen befeuert sind, sind viele Systeme jedoch wesentlich einfacher, angefangen mit Brennstoffversorgung. Auch fällt bei einem Gaskraftwerk keine Asche oder Schlacke aus der Verbrennung an. Auch die Abgasreinigung ist bei Brenngasen stark vereinfacht: Eine Entstaubung von Ruß oder Flugasche wird bei sauberer Verbrennung nicht benötigt. Bei schwefelarmen Brenngasen kann auch auf eine Rauchgasentschwefelung verzichtet werden. Eine Entstickung (katalytisch oder nicht-katalytisch) kann in die Verbrennung und den Dampferzeuger integriert werden. Häufig kann daher der Kamin – ohne zwischengeschaltete Abgasreinigung – direkt oben auf den Turmkessel aufgesetzt werden.
Nachteil dieser Bauart ist, ähnlich wie oben bei den Verbrennungskraftmaschinen, vor allem der relativ schlechte Wirkungsgrad. Gegenüber Verbrennungskraftmaschinen kommt erschwerend hinzu, dass ein gasgefeuertes Dampfkraftwerk wesentlich teurer im Bau ist und hinsichtlich Startzeiten (ca. 1 h bis Volllast) und Lastgradienten nicht ganz so flexibel ist. Dass dennoch bis in die 1980er-Jahre solche Gaskraftwerke in größerer Zahl gebaut wurden, lag vor allem daran, dass in dieser Zeit das Gas noch relativ preisgünstig war und dass die auf dem Markt verfügbaren Gasturbinen und -motoren noch relativ klein waren. Mit der Entwicklung leistungsfähigerer Gasturbinen wurden gasgefeuerte Dampfkraftwerke ab den 1990er-Jahren zunehmend durch GT- und Kombikraftwerke (siehe unten) verdrängt. Ältere gasgefeuerte Dampfkraftwerke, die heute noch in Betrieb sind, werden fast nur als Spitzenlastkraftwerk oder als Heizkraftwerk in Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt.
Kombikraftwerke mini|Schema eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerkes mini|GuD-Kombikraftwerk Hamm-Uentrop(vorn die Abhitzekessel, im Hintergrund Maschinenhäuser mit Gas- und Dampfturbine)
In einem Kombikraftwerk wird eine Verbrennungskraftmaschine (Gasturbine oder seltener auch Gasmotor) mit einem Dampfkraftwerk (bestehend aus einem Dampfkessel und einer Dampfturbine mit Kühlsystem) kombiniert; so werden die Vorteile der beiden oben genannten Typen kombiniert und die Nachteile teilweise abgemildert. Die Maschine macht das Kraftwerk flexibel und schnell in der Einsatzweise, und durch die Kombination von Gas- und Dampfprozess erreichen Kombikraftwerke den höchsten Wirkungsgrad aller thermischen Kraftwerke (bis ca. 60 %). Nachteilig sind auch bei diesem Typ vor allem die hohen Brennstoff- und damit Betriebskosten, die dazu führen, dass auch Kombikraftwerke nur in Ausnahmefällen in der Grundlast eingesetzt werden.
Bei den Kombikraftwerken sind nach dem Leistungsanteil von Gas- und Dampfprozess zwei Unterarten zu unterscheiden: Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD-Kraftwerke) sind seit den 1990er-Jahren die übliche Bauart. Hier ist der Dampfkessel ein Abhitzedampferzeuger, der nur die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine nutzt. Allenfalls verfügt der Dampferzeuger über eine relativ kleine Zusatzfeuerung. Die Verbrennungskraftmaschine liefert etwa 2/3, die Dampfturbine etwa 1/3 der Gesamtleistung des Kraftwerks. Gas-Kombiblöcke sind überwiegend ältere Anlagen, die teilweise nachträglich von einem reinen Dampfkraftwerk in ein Kombikraftwerk umgerüstet wurden. Kombiblöcke bestehen aus einem konventionellen Dampfkraftwerk, dessen gefeuerter Dampferzeuger mit einer Vorschaltgasturbine (VGT) zur Luft- oder Speisewasservorwärmung ausgestattet ist. Sowohl die Gasturbine als auch die Kesselfeuerung können mit Gas als Brennstoff betrieben werden. Die VGT macht das Kraftwerk flexibler und verbessert den Wirkungsgrad, ist aber leistungsmäßig kleiner als die Dampfturbine.
Einsatzweise mini |hochkant=1.7 |Entwicklung der Stromerzeugung in Deutschland Anlagen, die Gas verbrennen, sind im Vergleich zu Festbrennstoffanlagen vergleichsweise einfach im Aufbau und haben eine hohe Leistungsdichte, woraus relativ geringe Baukosten resultieren. Da Brenngase aber in der Regel sehr hochwertige und damit teure Brennstoffe sind, haben Gaskraftwerke hohe Betriebskosten. Aus dem Verhältnis von Bau- und Betriebskosten ergibt sich, dass Gaskraftwerke meist für die Lastregelung im Mittel- und Spitzenlastbereich eingesetzt werden. Im Grundlastbereich sind Gaskraftwerke normalerweise allenfalls als Heizkraftwerke in Kraft-Wärme-Kopplung wirtschaftlich.