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Gasturbine

Definition: eine Turbine, die von einem heißen Gas angetrieben wird.

Englisch: gas turbine

Kategorie: Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 07.03.2010; letzte Änderung: 04.06.2019

Eine Gasturbine ist eine Turbine (also eine Art von Motor), die von einem heißen Gas angetrieben wird. Es handelt sich in aller Regel um Verbrennungsgase, entstehend z. B. aus einem Gemisch von Erdgas und Luft. Eine Gasturbine dient als Wärmekraftmaschine, d. h. für die (teilweise) Umwandlung von Wärme in mechanische Energie. Sie wird – häufig in Kombination mit einer Dampfturbine – in Erdgas-befeuerten Kraftwerken eingesetzt (→ Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk).

Gasturbine
Abbildung 1: Computermodell von Läufer und Brennkammer einer Gasturbine (Siemens-Pressebild). Solche Turbinen werden in größeren Gaskraftwerken eingesetzt.

Die meisten Gasturbinen werden mit Erdgas betrieben. Manche sind auch für Biogas oder Heizöl geeignet. Generell kommen nur Brennstoffe in Frage, die schnell und sauber verbrannt werden können, nicht also Festbrennstoffe wie Kohle. Es ist aber möglich, Kohle zu vergasen und so eine Gasturbine zu betreiben.

Die wohl häufigste Anwendung von Gasturbinen ist der Antrieb eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie. Häufig wird hierbei ein so genannter Turbogenerator verwendet, der direkt (ohne Getriebe) von einer Turbine angetrieben werden kann.

Funktionsprinzip

Die zugeführte Luft wird zunächst in einem Verdichter (Kompressor) komprimiert, z. B. auf 15 bis 20 bar. In einer Brennkammer, in der zugeführter Treibstoff (z. B. Erdgas) verbrannt wird, steigt die Temperatur stark an. Das heiße Gas treibt dann die eigentliche Turbine (den Expander) an, wobei Druck und Temperatur sinken. Rund zwei Drittel der vom Expander abgegebenen mechanischen Leistung werden für den Kompressor benötigt. Man beachte aber, dass die vom Kompressor geleistete Verdichtungsarbeit nicht einfach als ein Verlust zu betrachten ist, da sie zum guten Teil vom Expander zurückgewonnen wird. Würde man die Kompression vermindern, um Kompressionsarbeit zu sparen, erhielte man weniger Expansionsarbeit und netto einen niedrigeren Wirkungsgrad.

Wenn Druckluft zur Verfügung steht, kann die für den Kompressor benötigte Antriebsenergie natürlich eingespart werden. Dies wird bei Druckluftspeicherkraftwerken ausgenutzt. Sie nutzen also Energie, die in Form von Druckluft unterirdisch gespeichert wurde, und brauchen entsprechend rund dreimal weniger Erdgas pro erzeugter Kilowattstunde (ohne Berücksichtigung der Energie für das Einspeichern).

Die Abwärme einer Gasturbine entweicht einfach über das noch relativ heiße Abgas. Dieses wird häufig mit einem nachgeschalteten Abhitzekessel z. B. für eine Dampfturbine genutzt. Solche Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD-Kraftwerke) erreichen einen besonders hohen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von deutlich über 50 %, teils sogar 60 %.

Leistung und Wirkungsgrad von Gasturbinen

Typische Gasturbinen, insbesondere solche in Gaskraftwerken, haben Leistungen von vielen Megawatt, oft sogar von mehr als 300 MW. Moderne Anlagen erreichen Wirkungsgrade von rund 40 %. Dies ist wenig im Vergleich zu Dampfturbinen, die teils etwas über 60 % erreichen; bei Gasturbinen ist die Abgastemperatur relativ hoch.

Es gibt auch Mikrogasturbinen (siehe unten) mit Leistungen unterhalb von 200 kW. Hier sind die Wirkungsgrade niedriger, z. B. bei 30 %.

Generell können Gasturbinen innerhalb einiger Minuten gestartet werden, und sie erlauben eine recht hohe Leistungsänderungsgeschwindigkeit von oft über 10 % der Maximalleistung pro Minute.

Weitere technische Details

Eine möglichst hohe Temperatur in der Brennkammer ist nützlich, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Heute sind durch diverse Maßnahmen wie keramische Hitzeschilde, optimierte Werkstoffe für Turbinenschaufeln und raffiniert gekühlte Turbinenschaufeln Temperaturen bis zu ca. 1500 °C möglich, die bei großen Turbinen Wirkungsgrade bis zu 40 % ermöglichen.

Der Kompressor und die eigentliche Turbine befinden sich bei vielen (einwelligen) Gasturbinen auf ein und derselben Achse. Es gibt aber auch zweiwellige Gasturbinen, bei denen die genannten Komponenten auf unterschiedlichen, in aller Regel dann unterschiedlich schnell rotierenden Achsen arbeiten. Die dadurch mögliche Anpassung der Drehzahlen kann eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads ermöglichen, freilich auf Kosten einer höheren mechanischen Komplexität.

Bei den hohen Temperaturen bilden sich aus dem Stickstoff und Sauerstoff der zugeführten Luft große Mengen an Stickoxiden. Hiervon kann ein großer Teil jedoch wieder zerfallen, bevor er die Turbine verlässt. Es ist deswegen auch ohne zusätzliche Entstickungsanlage möglich, relativ niedrige Stickoxidemissionen zu erreichen.

Mikrogasturbinen

Mikrogasturbinen sind Gasturbinen sehr geringer Leistung unterhalb von 200 kW, die z. B. in Blockheizkraftwerken anstelle von Gasmotoren oder Gas-Dieselmotoren eingesetzt werden können. Im Vergleich zu Gasmotoren erreichen sie deutlich geringere Wirkungsgrade (z. B. 30 %) und verursachen höhere Investitionskosten, dafür aber eine hohe Lebensdauer und niedrige Wartungskosten, und ihre Abgaswerte (Stickoxide und Kohlenmonoxid) sind weitaus günstiger. Ebenfalls stellen sie geringere Anforderungen an die Gasqualität: Sie arbeiten auch mit Schwachgasen.

Vergleich mit Dampfturbinen

Während Gasturbinen nur gasförmige und flüssige Kraftstoffe verwenden können, können Dampfturbinen eine viel breitere Spanne von Wärmequellen ausnutzen, z. B. Kernreaktoren und Feuerungen für Kohle oder Biomasse.

Gasturbinen arbeiten in einem hohen Temperaturbereich, d. h. die Temperatur der Verbrennung in der Turbine liegt weiter über der in einer Dampfturbine. Andererseits ist auch die Abgastemperatur relativ hoch. Die optimale Energieeffizienz erzielt die Kombination einer Gasturbine mit einer Dampfturbine in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk: Die Gasturbine nutzt Exergie im Hochtemperatur-Bereich, und die Dampfturbine zusätzliche Exergie im Bereich niedrigerer Temperaturen.

Siehe auch: Gaskraftwerk, Dampfturbine, Wärmekraftmaschine, Kraftwerk, Carnot-Wirkungsgrad, Gasmotor, Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk
sowie andere Artikel in der Kategorie Kraftmaschinen und Kraftwerke

Alles verstanden?


Frage: Warum erreichen Gasturbinen nicht so hohe Wirkungsgrade wie Dampfturbinen?

(a) weil ihre hohe Betriebstemperatur zu hohen Wärmeverlusten führt

(b) weil ihre Abgastemperatur ziemlich hoch ist

(c) wegen der hohen Reibungsverluste


Frage: Welche technischen Fortschritte könnten zukünftig zu noch höheren Wirkungsgraden von Gasturbinen führen?

(a) eine verbesserte Kühlung von Turbinenschaufeln, um noch höhere Gastemperaturen tolerieren zu können

(b) die Entwicklung von Materialien für hochtemperaturfeste Turbinenschaufeln

(c) die Verwendung von hochkalorischen Brenngasen, die noch höhere Gastemperaturen ermöglichen

(d) neue Brennverfahren für eine stabile Verbrennung trotz starker Abgasrückführung


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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Kommentare von Lesern

06.10.2016

Die Arbeitsluft muss möglichst isotherm verdichtet werden. Dann braucht sie nur von etwa 350 K auf 700 K (427 °C) erhitzt werden, um das Volumen zu verdoppeln!

Antwort vom Autor:

Es trifft zu, dass der Temperaturanstieg bei einer isothermen statt adiabatischen Verdichtung erheblich geringer wäre. Dieser Ansatz ist aber leider nicht realistisch, da die Kompression in einer Gasturbine sehr schnell (innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde) erfolgen muss. Innerhalb dieser kurzen Zeit ist es faktisch nicht möglich, den Temperaturanstieg infolge einer adiabatischen Kompression durch effektive Kühlung stark zu vermindern. (Einzig die Verdampfungskühlung durch den eingespritzten Kraftstoff kann helfen.) Hierbei ist auch zu beachten, dass so etwas wie ein dichtes Netz von Kühllamellen eines Wärmeübertrager nicht infrage kommt, da man einen wesentlichen Druckverlust nicht tolerieren könnte.

Nachtrag vom 12.10.2016 von Oskar Hart: “Bei Axialverdichtern erfolgt die Verdichtung nur in kleinen Stufen von etwa 1,3 : 1. Dabei erhöht sich die Temperatur nur um ca. 35 °C je Stufe, die mit intensiv gekühlten Hohlschaufeln wieder annähernd zurück gekühlt werden kann!” Dies halte ich aber für wenig realistisch, da diese Kühlung in einem Sekundenbruchteil erfolgen muss und ohne wesentliche Erhöhung des Strömungswiderstands.

28.01.2019

Zur kinetischen Gastheorie: Die ungeordnete Bewegung der Gasmoleküle ist keine kinetische Energie, sondern das ist die Wärmeenergie! Kinetische Energie ist die Luftströmung, der Wind. Und die kinetische Energie ist um so höher, je niedriger die Temperatur, und je dichter und schwerer die Luft ist. Das kann mit Windkraft-Anlagen gemessen und bewiesen werden. Ebenso hat auch bei Gasturbinen weniger heißes Arbeitsgas mehr Masse und und kinetische Energie, und leistet mehr Arbeit.

Antwort vom Autor:

Also einfach die Gaszufuhr abstellen und nur reine kalte Luft zuführen, dann läuft die Turbine am besten!

Zur kinetischen/thermischen Energie: Es ist makroskopisch betrachtet thermische Energie, mikroskopisch jedoch die (ungeordnete) Bewegung der Gasmoleküle.

30.01.2019

Die Technische Wärmelehre nach Clausius lehrt, dass der thermische Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen um so höher sei, je höher die Arbeitstemperatur ist. Tatsächlich haben jedoch Kolbenmotoren und Gasturbinen bei niedriger Umgebungstemperatur eine höhere Leistung und einen besseren Wirkungsgrad. Bei aufgeladenen Kolben-Motoren wird durch Ladeluftkühler die Leistung zusätzlich verbessert. Das sollte zu denken geben!

Antwort vom Autor:

Das widerspricht auch nicht der Wärmelehre. Schließlich ist die Umgebungstemperatur etwas anderes als die Arbeitstemperatur.

05.05.2019

Betrachtet man den Kreisprozess der Gasturbine: adiabatische Kompression – isobare Erwärmung (Expansion) – adiabatische Expansion – isobare Abkühlung, so nutzt man weder die Arbeit, die durch die isobare Expansion frei wird, noch muss man die Arbeit für die isobare Abkühlung aufbringen. Letzteres findet einfach außerhalb der Maschine in der Umwelt statt. Bleibt also als nutzbare Arbeit lediglich die Differenz der beiden adiabatischen Prozesse. Ist das korrekt gedacht?

Antwort vom Autor:

Ihr Gedankengang ist mir nicht ganz klar. Es handelt sich übrigens gar nicht um einen Kreisprozess, sondern um einen offenen Prozess. Richtig ist, dass ein Teil der Expansion außerhalb der Maschine stattfindet, dort natürlich nutzlos – wie auch bei jedem Verbrennungsmotor. Richtig ist auch, dass die gewonnene Arbeit eine Differenz von Energien bei Kompression und Expansion ist.

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