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Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk

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Akronym: GuD-Kraftwerk

Definition: ein meist Erdgas-befeuertes Kraftwerk mit einer Kombination von Gas-und-Dampfturbinen

Englisch: combined-cycle gas turbine power station

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 07.03.2010; letzte Änderung: 20.09.2016

Ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) ist ein großes Kraftwerk, welches mindestens eine Gasturbine und eine Dampfturbine enthält. In der Regel wird die Gasturbine mit Erdgas befeuert, und das noch heiße Abgas dient über einen Abhitzekessel zum Betrieb einer nachgeschalteten Dampfturbine. Idealerweise erfolgt die Dampferzeugung in mehreren Druckstufen; Stand der Technik ist der Drei-Druck-Prozess. Unter Umständen wird der Dampfkessel noch zusätzlich befeuert.

Der mit einem Erdgas-GuD-Kraftwerk erzielbare Gesamtwirkungsgrad bei reiner Stromerzeugung kann heute etwa 60 % erreichen, einen von keinen anderen Wärmekraftwerken erreichten Wert. (Rund 40 % stammen dann von der Gasturbine, weitere 20 % von der Dampfturbine.) Die Leistung eines solchen Kraftwerks liegt typischerweise bei vielen hundert Megawatt.

Gasturbine in GuD-Kraftwerk

Abbildung 1: Die Gasturbine eines noch im Bau befindlichen großen GuD-Kraftwerks (Siemens-Pressebild). Das Kraftwerk soll einen Wirkungsgrad von etwa 60 % erreichen.

Der höhere Wirkungsgrad gegenüber reinen Gasturbinen- oder Dampfturbinen-Kraftwerken resultiert im Wesentlichen daraus, dass die Gasturbine mit sehr hohen Temperaturen arbeiten kann, während die Dampfturbine ergänzend den tieferen Temperaturbereich gut nutzt.

Es ist ebenfalls möglich, Kraft-Wärme-Kopplung zu betreiben, also einen Teil der Abwärme in ein Fernwärmenetz einzuspeisen. Dabei sinkt allerdings der elektrische Wirkungsgrad um rund 10 Prozentpunkte.

GuD-Kraftwerke sind hoch effizient und flexibel, gleichzeitig nicht besonders teuer.

GuD-Kraftwerke sind in der abgegebenen Leistung relativ schnell anpassbar, aber weniger gut als reine Gasturbinenkraftwerke, da die Dampfturbine recht träge ist. Sie sind gut für den Einsatz im Bereich der Mittellast geeignet und wegen des hohen Wirkungsgrads auch für die Grundlast interessant. Für die reine Spitzenlasterzeugung mit wenig Volllaststunden pro Jahr (z. B. unter 3000 Stunden) werden meist reine Gasturbinenkraftwerke verwendet, die zwar einen wesentlich niedrigeren Wirkungsgrad haben, aber noch schneller regelbar sind und vor allem auch erheblich kostengünstiger zu bauen sind. Die Investitionskosten für ein GuD-Kraftwerk sind allerdings immerhin viel niedriger als bei Kohlekraftwerken.

Ein erheblicher Nachteil von Gaskraftwerken (vor allem in der Grundlast) sind die höheren und zukünftig womöglich stark ansteigenden Brennstoffkosten und die langfristig nicht sichere Versorgungslage.

Verbundkraftwerke für Kohle und Gas

Kohle/Gas-Verbundkraftwerke können sinnvoller sein als separate Kohle- und Gaskraftwerke.

Es gibt Verbundkraftwerke, die Kohle und Erdgas kombiniert nutzen. Hier werden die Abgase einer mit Erdgas befeuerten Gasturbine (die immer noch erhebliche Mengen von Sauerstoff enthalten) als Zuluft für eine Kohlefeuerung verwendet, die wiederum Dampf für eine Dampfturbine erzeugt. Die Dampfturbine liefert dann den deutlich überwiegenden Teil der gesamten Leistung. Die Gasturbine bietet eine schnell regelbare Leistung (d. h. eine hohe Leistungsänderungsgeschwindigkeit), und das Erdgas wird relativ effizient genutzt. Die Kosten dürften deutlich niedriger liegen, als wenn ein Erdgas-GuD-Kraftwerk und ein Kohlekraftwerk separat gebaut werden.

GuD-Kohlekraftwerke

GuD-Kraftwerke sind bisher immer Gaskraftwerke. Neue Arten von Kohlekraftwerken könnte jedoch ebenfalls das GuD-Prinzip nutzen.

GuD-Kraftwerke für den Betrieb nur mit Kohle sind deutlich schwieriger zu realisieren. Das GuD-Prinzip lässt sich nämlich nicht direkt mit Kohle verwirklichen, da Kohle sich nicht als Brennstoff für eine Gasturbine eignet. Jedoch kann Kohle zunächst zumindest teilweise vergast werden, um eine Gasturbine zu betreiben. (Dies geschieht in sogenannten IGCC-Kraftwerken mit dem Integrated Gasification Combined Cycle.) Ebenfalls kann Kohle unter Sauerstoffmangel verbrannt werden, so dass Kohlenmonoxid (CO) entsteht, welches dann in einer Gasturbine verbrannt wird. Mit diesen Methoden kann ein höherer Gesamtwirkungsgrad erreicht werden als mit konventionellen Kohlekraftwerken.

GuD-Kraftwerke mit Wasserstoff

GuD-Kraftwerke könnten so modifiziert werden, dass sie mit Wasserstoff betrieben werden könnten. Dies würde die Perspektive eröffnen, eine neue Art von Speichern für elektrische Energie zu realisieren. Hier würde in Zeiten mit Stromüberschüssen durch Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und z. B. in großen Kavernen gelagert. Das GuD-Kraftwerk könnte dann zur Verstromung des Wasserstoffs in Zeiten großen Strombedarfs verwendet werden.

Dieser Ansatz wäre etwas effizienter als der von Power to Gas auf der Basis von Methan, weil die Methanisierung dabei entfallen könnte. Andererseits müsste dann auch ein separater Wasserstoffspeicher entwickelt werden, weil das Erdgasnetz nicht als Speicher genutzt werden könnte.

Siehe auch: Wärmekraftmaschine, Dampfturbine, Gasturbine, Wasserstoff, Energiespeicher, Power to Gas
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Kommentare von Lesern

02.09.2016, Achim Stephan

Wieso sinkt bei der Erzeugung von Wärme der Wirkungsgrad des GUD-Kraftwerks?

Falls man zur Erzeugung von Wärmeenergie die Abwärme der Dampfturbine genutzt wird, hat man am Ende einen Kondensator, der für eine Erhöhung der Druckdifferenz über der Turbine sorgt. Dadurch steigt die Leistung der Dampfturbine bei gleicher Energiezufuhr. Lediglich der Abdampf, bzw. das Kondensat hat einen geringeren Energiegehalt.

Wird die Heizenergie durch Auskopplung von Dampf aus der Dampfleitung entnommen, dann sinkt unter Umständen die Leistung bei der Stromerzeugung. Das muss sich meines Erachtens nicht auf den Wirkungsgrad auswirken.

Grundsätzlich ist der Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Wärmeenergie höher als bei der Stromerzeugung. Erzeugt man aus einem Brennstoff beides gleichzeitig, dann ergibt sich eine Mischkalkulation, die höher liegt als bei der reinen Stromerzeugung.

Antwort vom Autor:

Wenn Nutzwärme ausgekoppelt wird, dann meist auf einem etwas höheren Temperaturniveau von z. B. 120 °C für Fernwärme. Dadurch steigt also die Temperatur und somit auch der Druck im Kondensator, und die elektrische Leistung wird deutlich reduziert; der elektrische Wirkungsgrad sinkt also. Dasselbe wäre natürlich auch der Fall, wenn man einen Teil des Dampfs auskoppelt – was nur dann sinnvoll ist, wenn man wesentlich höhere Temperaturen benötigt.

Wie der reduzierte elektrische Wirkungsgrad bei gleichzeitig steigendem Gesamtwirkungsgrad zu bewerten ist, wird im Artikel über Kraft-Wärme-Kopplung ausführlich erklärt.

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