Neue, mit CO2-betriebene Gasturbinen können die Kraftwerkstechnik revolutionieren.

Jochen Fricke, Sprecher des Clusters Energietechnik, erläutert die technischen Details einer Demonstrationsanlage.
nach Quelle: E&M PowerNews, 02. Oktober 2017


Innovative Gasturbinenentwicklung. Bildquelle: Siemens

In den USA wird in diesem Jahr bei Houston ein 25-MW-Demonstrationskraftwerk in Betrieb gehen, das Erdgas nicht mit Luft, sondern in reinem Sauerstoff zu CO2 und H2O verbrennt.
Das heiße CO2 nutzt man in einer neu entwickelten Gasturbine zur Stromerzeugung. Die Verbrennung von Erdgas mit reinem Sauerstoff ist nicht neu, sie ist bekannt als Oxyfuel-Prozess. Dazu wird die Luft zuvor in einem Kryoverfahren in Sauerstoff und Stickstoff aufgetrennt.
 
Innovativ ist der Einsatz einer neu entwickelten Gasturbine zur energetischen Nutzung des mit hoher Temperatur (etwa 1 150 °C) und hohem Druck (300 bar) in einer Brennkammer entstehenden CO2-Gases. Die neue Turbine und die Brennkammer wurden von der japanischen Firma Toshiba entwickelt und gebaut. Die Verbrennung des Erdgases erfolgt in einem Erdgas-Sauerstoff-CO2-Gemisch, weil ohne zugemischtes CO2 die Temperatur in der Brennkammer exzessiv hoch wäre.
 
Kohlendioxid wird direkt aus dem Prozess entfernt
 
Das aus der Turbine strömende entspannte Gasgemisch hat einen deutlich geringeren Druck und eine geringere Temperatur als beim Eintritt in die Turbine. In einem regenerativen Wärmetauscher gibt es noch Restwärme an einen Hochtemperaturwärmetauscher oder Regenerator ab. Hinter dem Wärmetauscher und einem eventuell folgenden Kühler wird der kondensierte Wasserdampf abgezogen und kann beispielsweise für Bewässerungszwecke genutzt werden. Das abgekühlte CO2 bringt nun ein Kompressor wieder auf hohen Druck. Dabei steigt seine Temperatur an. Im nachfolgenden Wärmetauscher nimmt es weiter Wärme auf und wird dann zur Begrenzung der Brenntemperatur in die Brennkammer gepresst.
 
Zwischen Kompressor und Wärmetauscher zieht man einen CO2-Teilstrom bei hohem Druck ab. Er wird im Fall des Pilotkraftwerks in Houston zur Optimierung der Erdölförderung verwendet. Man spricht hier von Enhanced Oil Recovery, kurz EOR. Eine andere Möglichkeit ist die Verpressung des CO2 in den Untergrund, was als Carbon Capture and Storage (CCS) bezeichnet wird.
 
Die aus dem Kreislauf abgezogene geringe CO2-Menge entspricht gerade der durch Oxidation in der Brennkammer entstehenden Menge. Damit bleibt die umgepumpte CO2-Menge im Kreisprozess konstant.
 
Das Oxyfuel-Verfahren hebt die Effizienz des neuen Prozesses an. Denn im konventionellen Verbrennungsprozess mit Luft als Oxidationsmittel macht das (für CCS zu extrahierende) CO2 nur etwa 14 Prozent des Rauchgases aus − es wird darin eine große Menge an Stickstoff mitgeschleppt. Beim Oxyfuel-Verfahren hingegen besteht das Rauchgas nur aus CO2 und kondensierbarem Wasserdampf.
 
Gesamtwirkungsgrad bei 56 Prozent
 
Die Idee für das neue Verfahren zur Stromerzeugung hatte Rodney Adam, ein pensionierter Chemieingenieur. Ihn störten die voluminösen Dampfturbinen und die riesigen Rauchgasmengen in konventionellen Kraftwerken. CO2-Turbinen sind bei gleicher Leistung deutlich kleiner und preiswerter als Dampfturbinen.
 
Da CO2 seinen kritischen Punkt bei nur 31 °C und 73 bar hat, ist das Gas in der Brennkammer und der Turbine überkritisch. Die Dichtewerte von flüssiger Phase und Gasphase gleichen sich an. Der Stoff ähnelt dann in seinen Fließeigenschaften mehr einer Flüssigkeit als einem Gas. Da CO2 eine 2,5-mal höhere Molmasse als Wasser hat, besitzt es als überkritisches Fluid eine deutlich höhere Dichte als Wasserdampf. CO2-Turbinen sind daher bei gleicher Leistung um etwa den Faktor zehn kleiner als Dampfturbinen.
 
Adam kalkulierte den Gesamtwirkungsgrad des CO2-Pilotkraftwerks mit 56 Prozent. Bemerkenswert für die Wirtschaftlichkeit ist auch, dass sich das aus dem Kreisprozess abgezogene Kohlendioxid bereits auf hohem Druck befindet und direkt zur Optimierung der Erdölförderung in den Untergrund injiziert werden kann. Damit lassen sich zusätzliche Einnahmen erzielen.
 
Das neue Pilotkraftwerk mit dem Namen „NET Power Demo Plant“ wird von zwei großen Industriefirmen, Exelon und Chicago Bridge Iron, mit 140 Mio. US-Dollar (117,5 Mio. Euro) finanziert und auch betrieben. Derart innovative Kraftwerke werden sicher nicht ohne weitere Entwicklungsarbeiten arbeiten können. Diese betreffen insbesondere die Turbinen und die Brennkammern. Das amerikanische Department of Energy fördert auch die Entwicklung von effizienten CO2-Kompressoren bei den Herstellern General Electric und Hanwha.
 
In Fachkreisen wird der CCS-Prozess für Kraftwerke heute als unverzichtbar für eine effiziente Reduzierung des CO2-Eintrags in die Atmosphäre angesehen. Hier weist das Pilotkraftwerk in den USA den richtigen Weg. Dann muss aber auch der Einlagerung von CO2 in den Untergrund (ohne die Nutzung für EOR) eine Chance gegeben werden − auch in Europa.
 
Autor: Prof. Dr. Jochen Fricke, Cluster Energietechnik, Nürnberg