Hybrid-Kraftwerk

Rahmenbedingungen

Nach Schätzungen der Internationalen Energieagentur wird in den nächsten zwei Jahrzehnten weltweit eine Steigerung des elektrischen Energiebedarfs um ca. 70% erwartet. Zur Deckung des wachsenden Strombedarfs sind zusätzliche Kraftwerkskapazitäten erforderlich. Darüber hinaus müssen in diesem Zeitraum alleine in Deutschland Altanlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 40 Gigawatt erneuert werden. Zur gleichen Zeit kommt es zur Verknappung der verfügbaren Ressourcen an konventionellen flüssigen und gasförmigen Brennstoffen. Eine nachhaltige und finanzierbare Stromerzeugung unter diesen Rahmenbedingungen erfordert daher die Entwicklung von hocheffizienten Technologien und Anlagenkonzepten. Hierbei ist das oberste Ziel, den elektrischen Wirkungsgrad von fossil befeuerten Kraftwerken konsequent zu erhöhen und den Schadstoffausstoß gleichzeitig zu minimieren. Ein mögliches Anlagenkonzept, welches diese Forderungen erfüllt, ist das Hybrid-Kraftwerk. Hierbei wird eine Gasturbine mit einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) gekoppelt, was langfristig den höchsten erreichbaren elektrischen Wirkungsgrad bei der Stromproduktion verspricht.

Funktionsweise

Blockschaltbild der bevorzugten Kreislaufvariante für das Hybrid-Kraftwerk

Das Geheimnis des innovativen Kraftwerkkonzepts liegt in der Verschaltung der Hochtemperaturbrennstoffzelle mit der Gasturbine (Bild 1). Die Betriebstemperatur der mit Überdruck betriebenen Brennstoffzelle liegt bei cirka 1000°C. Hierbei werden neben dem elektrischen Strom noch über 850°C heiße Abgase produziert. Diese werden dann der Gasturbinenbrennkammer zugeführt. Durch die erhöhte Eintrittstemperatur der Prozessluft in die Brennkammer der Gasturbine muss im Vergleich zum klassischen Gasturbinenkreislauf bedeutend weniger Brennstoff zugeführt werden. Um hierbei den höchsten Wirkungsgrad zu erreichen, sind die einzelnen Komponenten so abzustimmen, dass keine zusätzliche Brennstoffzugabe in die Gasturbinenbrennkammer mehr erforderlich ist. Durch die Entspannung der Prozessluft in der nachgeschalteten Turbine auf annähernd Umgebungsdruck wird ein Generator betrieben, welcher zusätzlich zur Hochtemperaturbrennstoffzelle elektrischen Strom produziert. Ferner wird mittels des Verdichters die Prozessluft komprimiert. Diese Druckaufladung dient der Erhöhung der elektrischen Leistung bei gleichem Brennstoffeinsatz in der Brennstoffzelle.

Hybrid-Kraftwerke können bereits im unteren Kilowatt-Bereich einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 53% erreichen. Im Vergleich zur Brennstoffzelle als beste Einzelkomponente und mit einem Wirkungsgrad von 46% bedeutet dies eine Steigerung um 7%-Punkte. Für eine Anlage mit 5-Megawatt elektrischer Leistung, welche zur Stromversorgung einer Kleinstadt mit 5.000 Einwohnern genügt, ist ein elektrischer Wirkungsgrad von bis zu 60% realistisch. Im Vergleich zu zentralen Großkraftwerken kann hierbei auch die anfallende Wärme effizient genutzt werden. Abhängig von der Anlagengröße und der verwendeten Komponenten sind grundsätzlich elektrische Wirkungsgrade bis sogar 70% denkbar.

Ausgewählte Forschungsthemen (Institut für Verbrennungstechnik)

3D-CAD Modell der Laboranlage, bestehend aus Mikrogasturbine, SOFC-Brennstoffzellen-Simulator und Rohrleitungssystem

• Aufbau, Betrieb, Charakterisierung und Optimierung des Versuchstands für die Erforschung eines Hybrid-Kraftwerks (Bild 2)
• Bewertung des Brennkammerkonzepts der Mikrogasturbine und Modifizierung für die Anwendung im Hybrid-Kraftwerk
• Integration der Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) in den Gasturbinenkreislauf
• Thermodynamische Analyse und Bewertung von Schaltvarianten sowie die Entwicklung und Validierung von Betriebskonzepten

Forschungspartner

Zur Umsetzung eines solchen Kraftwerktyps haben sich die DLR-Institute für Verbrennungstechnik und Technische Thermodynamik sowie das Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart zu einem Virtuellen Institut zusammengeschlossen. Die hierbei auftretenden wissenschaftlichen und technischen Problemstellungen werden entsprechend den Kompetenzen der involvierten Institute bearbeitet und durch die Industriepartner begleitet.