Ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk oder Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk (kurz GuD-Kraftwerk) bezeichnet das Zusammenwirken der Verbrennungskraftmaschine Gasturbine mit der Wärmekraftmaschine Dampfturbine, deren verschiedene thermodynamischen Kreisprozesse miteinander kombiniert werden. Dabei können Wirkungsgrade bis zu 64,18 % bei Emissionen von ca. 450 g CO2-eq/kWh (Kohlenstoffdioxidäquivalent) und Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte für Stickoxide erreicht werden, so dass diese Kraftwerksart zu den effizientesten konventionellen (fossil befeuerten) Kraftwerken gehört. Hinzu kommen kurze Anfahrzeiten und die damit verbundene Möglichkeit einer schnellen Reaktion auf Stromnetzanforderungen.
Das Prinzip ist die Nutzung des enormen Abgasmassenstroms einer Gasturbine in einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, dessen erzeugter Dampf eine Dampfturbine (mit ihren verschiedenen Druckstufen) antreibt.
Neben den getrennten Gasturbinen- und Dampfturbinen-Turbosätzen (konventionell, Mehrwellenausführung) findet man auch im höheren Leistungssegment sogenannte Einwellenausführungen, d. h. eine Gasturbine und eine Dampfturbine treiben gleichzeitig auf einem gemeinsamen Wellenstrang einen Generator an.mini|hochkant=1.4|GuD-Kraftwerk Knapsack von Statkraft mit zwei Gasturbinen im Chemiepark Knapsack. Die Kamine befinden sich an den Abhitzekesseln, vorne zwei Zellenkühltürme mit je neun Ventilatoren.
Nomenklatur
Die Kurzbezeichnung GUD-Kraftwerk war lange Zeit eine geschützte Bezeichnung von Siemens; seit Ende September 2009 ist sie dies jedoch nicht mehr.Registerauskunft des Deutschen Patent- und Markenamtes: (Registernummer 1134324) Auch als GUD noch eine Marke war, wurde diese Bezeichnung häufig als Gattungsbegriff verwendet. Allgemein wird dieser Kraftwerkstyp als Kombikraftwerk bezeichnet, wobei Gefahr der Verwechslung zum Beispiel mit Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerke nutzen die Abwärme z. B. für die Gebäudebeheizung oder die Einspeisung in Fernwärmenetze, statt zur Dampferzeugung) besteht.
Weitere Herstellerbezeichnungen sind zum Beispiel Steam and Gas (STAG) von General Electric oder Kombianlage (KA) von Alstom. Im englischen Sprachraum spricht man von Combined Cycle Power Plant (CCPP) oder Combined Cycle Gas Turbine (CCGT).
Kraftwerks-Konfigurationen Zwei grundsätzliche Konfigurationen findet man je nach geforderter Fahrweise und Platzverhältnissen:
Mehrwellenanlagen (multi shaft) In der Grundausführung findet man die sogenannte 1-auf-1-Aufstellung, d. h. 1 Gasturbinen/Generator-Turbosatz und ein Dampfturbinen/Generator-Turbosatz (inklusive des Abhitzedampferzeugers). Den höchsten Wirkungsgrad erzielt man jedoch in der 2-auf-1-Aufstellung, also die Abgaswärmeströme von zwei GT/GEN-Turbosätzen werden von einem DT/GEN-Turbosatz genutzt. Eine seltenere Konfiguration ist die 3-auf-1-Aufstellung.
Einwellenanlagen (single shaft) Hierunter versteht man die Anordnung von einer Gasturbine mit einem leistungsstärkeren Generator und über eine selbstsynchronisierende Schaltkupplung eine Dampfturbine (mit ihren verschiedenen Druckgehäusen) als einen gemeinsamen Wellenstrang. Diese Konfiguration findet ihren Einsatz bei engen Platzverhältnissen und der Anforderung nach Grundlast-Fahrweise. Sie stellt eine kostengünstige Kraftwerksvariante dar, da nur ein gemeinsamer Generator verwendet wird. Es entfällt ein kompletter Stromerzeugungszweig (Blocktrafo, Generatorschalter, Schaltanlageneinspeisung, zugehöriger Eigenbedarf). Diese Konfiguration bedeutet auch, dass die Fahrweise im Teillastbereich gegenüber den Mehrwellenanlagen eingeschränkt ist. Die bei Volllast erreichbare Effizienz ist jedoch höher, so sind die Effizienz-Weltrekordblöcke derzeit Einwellenanlagen.
Weitere Ausführungsoptionen
Zusatzbefeuerung Im Falle von speziellen, zeitlich begrenzten Lastspitzen-Anforderungen wird eine Zusatzbefeuerung (duct firing) vor dem Abhitzedampferzeuger vorgesehen, so dass mehr Dampfenergie zur Verfügung steht.
Zusätzliche Abwärmenutzung Durch Einsatz einer Gegendruckdampfturbine oder durch Anzapfung an einer bestimmten Dampfturbinendruckstufe kann die thermische Energie des Wasserdampfes noch für eine Fernwärmeversorgung genutzt werden. Auf Grund des höheren Gegendrucks reduzieren sich dann allerdings die erzeugte mechanische Arbeit und der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtprozesses. Betrachtet man im unteren Bereich des Kraftwerkskreisprozess im T-s-Diagramm (Kondensation) näherungsweise als Carnot-Prozess (siehe Dampfkraftwerk, Abschnitt T-s-Diagramm) mit einem Gegendruck statt 0,037 bar (= 30 °C Kondensationstemperatur), dann reduziert sich bei 1 bar Gegendruck (= Erzeugung von Fernwärme bei 100 °C) der Carnot-Wirkungsgrad bezogen auf den erreichten Wirkungsgrad um 17 %. Somit wird statt 58 % nur noch ein Wirkungsgrad für die Erzeugung der mechanischen Arbeit von 48 % erreicht. Nach der Dampfauskopplung bei 1 bar stehen 52 % der eingesetzten Brennstoffenergie bei einem Temperaturniveau von 100 °C zur Verfügung. Diese Enthalpie des Dampfes besteht aus der Kondensations- bzw. Verdampfungsenthalpie bei 1 bar / 100 °C, sie beträgt
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und der noch verbleibenden thermischen Energie im nicht mehr nutzbaren Kondensat von
.
Ohne Wärmenutzung werden bei der Kondensationstemperatur von 30 °C die Enthalpie von über den Kühlturm an die Umgebung abgeführt. Dies reduziert sich im Falle einer vollständigen Wärmenutzung auf die 292 kJ/kg. Dann stehen neben der Umsetzung von 48 % der Brennstoffenergie in mechanische Arbeit noch 45 % der Einsatzenergie als Wärmeenergie bei 100 °C zur Verfügung. Es ist zu beachten, dass die Energie im Heizungswasser nur zu 19 % aus Exergie und den restlichen 81 % aus Anergie besteht. Daher dürfen die unterschiedlichen Wirkungsgrade nicht addiert werden. Die Summe beider Wirkungsgrade kann aber 100 % nicht überschreiten. Die Gesamtemissionen sind dadurch im Vergleich zur erzeugten Energie insgesamt sehr gering.
Integration von thermischer Solarenergie
Mittels Solarkollektoren ist es möglich, Brennstoff einzusparen. Ein erstes Solar-Hybrid-GuD-Kraftwerk ist das Kraftwerk Hassi R’Mel in Algerien, das 2011 in Betrieb genommen wurde.
Betrieb mit Methanol oder Gas aus Solar- oder Windenergie Ein Gaskombikraftwerk, das mit Treibstoff aus den Verfahren Power-to-Gas und Power-to-Liquid betrieben wird, könnte CO2-neutral betrieben werden.Wie Forscher «Flatterstrom» speichern wollen, Swissinfo, 11. Mai 2017
Wirkungsweise
mini|hochkant=2|Funktionsschema eines GuD-Kraftwerks (Mehrwellenanlage)
mini|hochkant=2|Vereinfachte Darstellung eines idealisierten einstufigen GuD-Prozesses im T-s-Diagramm. Beim reinen Dampfkraftprozess treten bei der Wärmeübertragung im Kessel vom Abgas (Brennraumtemperaturen zum Beispiel 1700 °C) auf den Dampf (maximale Dampftemperatur meist unterhalb 600 °C) große Exergieverluste auf. Der GuD-Prozess nutzt dieses Temperaturgefälle für den Gasturbinenprozess. Der Vorteil der hohen Temperatur der Wärmezufuhr in der Brennkammer der Gasturbine von 6 g nach 1 g (ca. 1200 °C) ist gepaart mit der geringen Temperatur der Wärmeabfuhr im Kondensator des Dampfkreislaufes von 2d nach 3d. Auch bei der prozessinternen Wärmeübertragung der Abwärme des Gasturbinenkreislaufes in den Dampfkreislauf treten wegen der konstanten Verdampfungstemperatur (rechte Seite im T-s-Diagramm) Exergieverluste auf. Bei einer zweistufigen Anlage sind sie geringer (s. Wärmeübertragungsdiagramm). Die Abwärme aus dem Gesamtprozess setzt sich aus der Kondensationsenthalpie des Dampfes die Abgasenthalpie im Punkt 4 g. zusammen mini|hochkant=2|Prinzip-Schaltbild eines einstufigen GuD-Kraftwerks mit einem Zwangumlaufkessel und einer Dampfentnahme aus der Turbine zur Speisewasservorwärmung. mini|hochkant=2|Prinzip-Schaltbild eines zweistufigen GuD-Kraftwerks. Durch die Verteilung der aus dem Abgas der Gasturbine übertragenen Wärme auf zwei Druckstufen im Wasserkreislauf wird die zum Ende des Verdampfungsvorganges hin zunehmende Temperaturdifferenz zwischen Abgas und verdampfendem Wasser reduziert (Wasser verdampft bei konstantem Druck isotherm, während das Abgas sich abkühlt). Damit reduzieren sich die Exergieverluste bei der Wärmeübertragung, das heißt, der Wirkungsgrad erhöht sich. Die Anlage wird aber komplizierter und teurer.
mini|hochkant=2|Wärmeübertragungsdiagramme für eine Anlage mit einer Druckstufe (oben) und zwei Druckstufen (unten).
Zunächst wird der GT-Turbosatz in Betrieb gesetzt. Nachdem der Abhitzedampferzeuger durch die Abwärme der GT ausreichend Dampfenergie zur Verfügung steht, wird der DT-Turbosatz in Betrieb gesetzt. Sollte ein GT Solo-Betrieb zur Betriebsweise des GuD-Kombikraftwerks gefordert sein, so wird ein Bypass-Schornstein mit einer Umschaltklappe für den Abhitzedampferzeuger vorgesehen.
Das Zuschalten der DT bei einer Einwellenanlage erfolgt durch die mechanisch arbeitende selbstsynchronisierende Schaltkupplung.
Leistung
Mit einer Mehrwellenaufstellung (2 auf 1) kann mittlerweile eine elektrische Leistung von ca. 1700 MWel (50 Hz) und ca. 1300 MWel (60 Hz) erreicht werden (im Vergleich dazu hat ein Block eines Kernkraftwerks eine Leistung zwischen 400 und 1600 MWel). Bei dieser Konfiguration kommen praktisch drei baugleiche Synchrongeneratoren zum Einsatz (2× GT/GEN-Einheit; 1× DT/GEN-Einheit). Demzufolge entfallen 2/3 der elektrischen Leistung auf die beiden GT-Prozesse und 1/3 auf den DT-Prozess.
Wirkungsgrad
Der außerordentlich hohe Wirkungsgrad beim GuD-Kraftwerk wird dadurch erreicht, dass die enorme Wärme aus dem Abgas der Gasturbine genutzt wird. Die stöchiometrische (λ = 1) Verbrennungstemperatur von Erdgas mit Luft bei Normaldruck liegt bei ca. 2200 °C. Durch Luftüberschuss werden die Eintrittstemperaturen der Gasturbinen jedoch verringert. Die heute maximal mögliche Gaseintrittstemperatur liegt bei 1600 °C.Mitsubishi Heavy Industries J-Type Gasturbine, s. Die Austrittstemperaturen liegen bei ca. 650 °C. Die Gasturbinen haben abhängig von der Leistung einen Wirkungsgrad (elektrische Leistung bezogen auf zugeführte Wärme) von 35 % (10 MWel) bis über 40 % (100 MWel).
Das Abgas wird in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit einer Temperatur >500 °C genutzt. Ein großer Teil der Wärme (Enthalpiedifferenz) wird jedoch für die Verdampfung bei der druckabhängigen Sattdampftemperatur benötigt. Bei 100 bar beispielsweise beträgt diese nur 311 °C. Das bedeutet, dass bei einer Anlage mit nur einer Dampfdruckstufe (siehe erstes Schaltbild rechts) am Eintritt des Abgases in den Verdampfer die Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Wasser sehr groß ist, und entsprechend hoch sind die Exergieverluste bei der Wärmeübertragung. Ist das Abgas bis auf wenige Grade oberhalb der Verdampfungstemperatur abgekühlt, kann sein restlicher Wärmeinhalt nur noch zur Speisewasservorwärmung genutzt werden (vergleiche Wärmeübertragungsdiagramm und T-s-Diagramm rechts). Die rechenaktive Originaldatei, der das rechts abgebildete Schema entnommen ist, berechnet einen Wirkungsgrad von 52 % bezogen auf den Heizwert. Bezogen auf den Brennwert ist der Wirkungsgrad 52 %/1,11 = 47 %.
Die wasserseitige Schaltung der Kessel kann je nach betrieblichen Anforderungen sehr unterschiedlich sein. Neben den hier gezeigten Zwangumlaufkesseln sind auch Naturumlaufkessel und Zwangdurchlaufkessel (Bensonkessel) üblich.
Zur Vermeidung höherer Exergieverluste, das heißt also zur Verbesserung des Wirkungsgrades, werden mehrere Druckstufen verwendet. Das zweite Schaltbild zeigt eine zweistufige Anlage. Das Speisewasser wird entweder mit getrennten Speisewasserpumpen dem Speisewasserbehälter entnommen und zwei getrennten Speisewasservorwärmern zugeführt, oder es werden – wie in der Abbildung – die Druckstufen hintereinandergeschaltet. Die Verdampfung und Überhitzung erfolgt somit auf unterschiedlichem Temperaturniveau.