Thermische Energietechnik 101 – Umwandlung von Brennstoffwärme in Elektrizität durch Dampf-, Gas- und Kombikraftwerke

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Wenn man die weiße Rauchwolke eines Wärmekraftwerks aufsteigen sieht und denkt, „die Wärme des Brennstoffs wird direkt in Strom umgewandelt“, verliert man aus den Augen, warum Effizienz und Umweltbelastung so wichtig sind. In Wirklichkeit wandelt das Kraftwerk die chemische Energie des Brennstoffs in die Wärme des Verbrennungsgases um, treibt eine Turbine mit Dampf oder Hochtemperaturgas an und speist den Strom über einen Generator und einen Transformator ins Netz ein. Kessel, Turbine, Kondensator, Rauchgasreinigung und Kühlanlage sind alle durch einen Kompromiss zwischen Effizienz und Leistungsflexibilität miteinander verbunden.

Beispiel für Turbine und Generator

Bild: Waste Blockturbine und Generator im Wärmekraftwerk Iru (Lauri Veerde, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Ein Beispiel aus dem Inneren, kein Foto des spezifischen Kraftwerks, das in den Vergleichen verwendet wurde.

Die 30-Sekunden-Version

Eine Dampfturbine arbeitet nach dem Rankine-Kreisprozess; eine Gasturbine nach dem Brayton-Kreisprozess. Ein Kombikraftwerk (CCGT), das auch Dampf aus der Abwärme erzeugt, erreicht einen hohen Wirkungsgrad.
Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung hängt nicht nur von der Verbrennungstemperatur ab, sondern auch von Dampfdruck und -temperatur, Kondensatorvakuum, Kühlwassertemperatur, Teillast und der Häufigkeit des An- und Abschaltens der Anlage.
Kohle ist ein stabiler Brennstoff, jedoch ist die Belastung durch die CO₂- und Luftschadstoffbeseitigung hoch. Erdgas-GuD-Kraftwerke emittieren weniger und starten schneller, sind aber anfällig für Methanleckagen und Brennstoffpreisschwankungen.
Die Dekarbonisierung kombiniert thermische Energie mit erneuerbaren Energien und Batteriespeichern und vergleicht Biomasse, Wasserstoff-/Ammoniak-Mitverbrennung sowie CCS/CCUS über den gesamten Lebenszyklus.
Bei thermischer Notstromversorgung zur Unterstützung von schwankender Stromerzeugung wird der Wert weniger durch die Leistung als vielmehr durch Mindestlast, Anfahrgeschwindigkeit, Anlaufzeit, synchrone Trägheit und Emissionsintensität bestimmt.

1. Der Weg von der Wärme zur Elektrizität

Ein GTCC-Schema mit getrennten Systemen für Verbrennungsgas, Speisewasser und Kühlwasser sowie zwei Generatoren

Abbildung 1 – Ein Kombikraftwerk treibt zunächst einen Gasturbinengenerator an und überträgt dann die Abwärme über den Abhitzekessel (HRSG) auf Dampf für einen zweiten Turbogenerator. Der Dampf wird kondensiert, gepumpt und zum HRSG zurückgeführt; ein separates Kühlwassersystem führt die Kondensatorwärme ab.

Sei $Q_{in}$ die chemische Energie des Brennstoffeinsatzes und $P_e$ die elektrische Leistung; der Wirkungsgrad der Erzeugung kann dann wie folgt abgeschätzt werden:

Der Wirkungsgrad der Abführung ist die elektrische Leistung dividiert durch den Brennstoffeinsatz nach Abzug des Eigenverbrauchs.

wobei $\dot m_f$ der Brennstoffmassenstrom und $LHV$ der Der untere Heizwert ist entscheidend. Es ist wichtig, den Wirkungsgrad bei der Abführung zu vergleichen – nach Abzug des Stromverbrauchs der Hilfsaggregate (Speisewasserpumpen, Gebläse, Rauchgasreinigung, Kühlwasserpumpen).

2. Der Rankine-Kreisprozess und Dampfturbinen

In Kesseln, die Kohle, Schweröl, Biomasse usw. verbrennen, wird Wasser in Hochdruckdampf umgewandelt. Der Dampf expandiert stufenweise in den Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbinen, kondensiert im Kondensator wieder zu Wasser und wird von der Speisewasserpumpe zurück in den Kessel gefördert. Der thermische Wirkungsgrad des idealen Rankine-Kreisprozesses beträgt:

Der Rankine-Wirkungsgrad ist die Nettoturbinenarbeit dividiert durch die Wärmezufuhr des Kessels.

Er wird durch Zwischenüberhitzung, regenerative Speisewasservorwärmung und überkritische Prozesse verbessert.

Je höher die Dampftemperatur, desto höher der Wirkungsgrad – allerdings nehmen Kriechen, Oxidation und Korrosion in den Kesselrohren, Turbinenschaufeln und Schweißnähten zu. Ultra-überkritische (USC) Anlagen verwenden hochchromhaltigen Stahl und Nickelbasislegierungen. Die Lebensdauer der Materialien und die Wartungsintervalle bestimmen letztendlich die Erzeugungskosten. In der letzten Stufe der Turbine erodieren Wassertropfen im Nassdampf die Schaufeln. Um dem entgegenzuwirken, werden Feuchtigkeitsabscheider und Zwischenüberhitzer eingesetzt.

Der Kondensator kondensiert den Dampf wieder zu Wasser bei niedrigem Druck. Dadurch sinkt der Turbinenaustrittsdruck, was die gewonnene Arbeit erhöht. Bei hohen Meerwassertemperaturen im Sommer oder sinkender Kühlturmleistung steigt der Kondensatordruck, wodurch sowohl Leistung als auch Wirkungsgrad abnehmen. Nicht nur die Wärmequelle, sondern auch das Kühlwasser und die Umweltbedingungen des Flusses oder Meeres, aus dem es entnommen wird, sind Teil des thermischen Kreislaufs.

3. Gasturbinen und Kombikraftwerke

Eine Gasturbine verdichtet Luft in einem Verdichter, verbrennt Brennstoff in der Brennkammer und expandiert das entstehende Hochtemperaturgas durch eine Turbine. Der Wirkungsgrad des idealen Brayton-Kreisprozesses wird näherungsweise durch das Druckverhältnis $r_p$ und das spezifische Wärmeverhältnis $\gamma$ bestimmt.

Der ideale Brayton-Wirkungsgrad steigt mit dem Druckverhältnis, abhängig von Verdichter und Turbine. Grenzen.

Eine Erhöhung des Druckverhältnisses steigert zwar den idealen Wirkungsgrad, doch werden Kompressorarbeit, Schaufeltemperatur, Pumpgrenze und Kühlluft zu Einschränkungen.

Das Abgas eines einfachen Kreislaufs ist weiterhin heiß. Ein GuD-Kraftwerk (Gas- und Dampfturbinenkraftwerk) mit Abhitzedampferzeuger (HRSG) zur Dampferzeugung und Dampfturbine zur Dampfnutzung entzieht dem Brennstoff die Wärme in zwei Stufen. Erdgas-GuD-Kraftwerke kombinieren einen hohen Wirkungsgrad mit einer vergleichsweise kurzen Anlaufzeit und dienen als flexible Energieerzeugungsanlage, die die Schwankungen von Solar- und Windenergie ausnutzt.

Andererseits erhöhen häufige Starts und Stopps die thermische Belastung und verkürzen die Lebensdauer. Der Betrieb von GuD-Kraftwerken erfordert die Optimierung nicht nur des effizienten Nennlastbetriebs, sondern auch der Emissionen bei Teillast, der Mindestleistung, der Anfahrrampe, der Brennstoffversorgung und der Wartungsplanung.

4. Rauchgasreinigung und Umweltbelastung

Der im Brennstoff enthaltene Kohlenstoff wird hauptsächlich zu CO₂; Stickstoff und die Verbrennung bei hohen Temperaturen erzeugen NOx; Schwefel wird zu SOx; und der Aschegehalt wird zu Feinstaub. DeNOx (SCR), Elektrofilter oder Schlauchfilter und Entschwefelungsanlagen werden kombiniert, um die Emissionsvorschriften zu erfüllen. Entschwefelungsmittel, Ammoniak, Ventilatoren und die Zirkulation der Absorptionsmittelflüssigkeit erhöhen den Hilfsenergieverbrauch und den Abfall. Daher sollten die Emissionen für die gesamte Anlage und nicht nur für die Abgaskonzentration berechnet werden.

Die CO₂-Emissionen eines Brennstoffs lassen sich aus dem Brennstoffverbrauch und dem Kohlenstoffgehalt abschätzen.

Der Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs und das Molekularmassenverhältnis von Kohlenstoff zu CO₂ bestimmen die direkten Emissionen.

Hierbei bezeichnet $w_C$ den Kohlenstoffmassenanteil im Brennstoff. Beim Vergleich von Energiequellen sollten die g-CO₂/kWh auf Basis der eingespeisten Emissionen und nicht an den Generatoranschlüssen betrachtet werden. Dabei ist der Lebenszyklus inklusive Anlagenherstellung, Brennstofftransport und Entsorgung zu berücksichtigen. Kapazitätsfaktor und Anlaufemissionen sind separat zu betrachten.

5. Wasserstoff-/Ammoniak-Mitverbrennung und CCS

Wasserstoff emittiert bei der Verbrennung kein CO₂. Die Produktionsmethode bestimmt jedoch die ihm als Energiequelle zuzurechnenden Emissionen. Blauer Wasserstoff aus der Erdgasreformierung mit CCS und grüner Wasserstoff aus der Elektrolyse mit erneuerbarem Strom … Es müssen verschiedene Aspekte bewertet werden, darunter Energieeffizienz, Transport, Leckagen und Speicherung. Wasserstoff hat eine hohe Flammengeschwindigkeit und Zündfähigkeit, daher müssen Rückzündungen im Brennraum, NOx-Emissionen und Materialversprödung berücksichtigt werden.

Ammoniak lässt sich als Flüssigkeit leicht transportieren, aber seine langsame Verbrennungsgeschwindigkeit erschwert die Behandlung von unverbranntem Ammoniak (Schlupf) und NOx. Eine Erhöhung des Mitverbrennungsanteils steigert sowohl den Umfang der Nachrüstungsarbeiten als auch die Brennstoffkosten. Daher muss dies gegen die Verlängerung der Lebensdauer bestehender Anlagen, den Bau neuer, dedizierter Feuerungsanlagen und den Vergleich mit erneuerbaren Energien in Kombination mit Batteriespeichern abgewogen werden.

CCS (Carbon Capture and Storage) trennt CO₂ aus Rauchgasen ab, komprimiert es, transportiert es und speichert es unterirdisch. Die Aminabsorption nutzt Dampf und Strom zur Trennung, was die Erzeugungseffizienz um einige Prozentpunkte reduziert. Die Praktikabilität muss bewertet werden, einschließlich der Suche nach Speicherstandorten, der Leckageüberwachung, des Phasenmanagements in der Pipeline und der langfristigen Haftung. Wenn CCUS abgeschiedenes CO₂ als Rohstoff oder Brennstoff verwendet, sollte auch geklärt werden, wie lange es dauert, bis es wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. Atmosphäre.

6. Wert im Netzbetrieb

Ein Wärmekraftwerk kann kontinuierlich Leistung liefern, solange die Brennstoffversorgung gesichert ist, und speist das Netz mit der Trägheit und dem Kurzschlussstrom eines Synchrongenerators. Einige Gasturbinen können innerhalb von Minuten bis wenigen zehn Minuten anlaufen und eignen sich daher gut für den Ausgleich von Angebot und Nachfrage. Kohlekraftwerke und große Dampfturbinen haben höhere Mindestlasten und längere Anlaufzeiten, und häufiges Lastfolgen verkürzt ihre Lebensdauer.

Seien die Anlaufrate $R=dP/dt$ , die Mindestlast $P_{min}$ und die Anlaufzeit $t_{start}$ , so lässt sich der Bereich, in dem die Anlage den Prognosefehler erneuerbarer Energien abdecken kann, besser bewerten als allein anhand der Nennleistung, da

der verfügbare Einsatzbereich durch Anlaufrate, verstrichene Zeit und minimale stabile Last begrenzt wird.

Die Kombination von Wärmekraftwerken mit Batterien, Wasserkraft, Lastmanagement und Verbindungsleitungen reduziert die Leerlaufzeiten von Wärmekraftwerken bei niedriger Last. Last.

7. Aktuelle Ausrüstung und Forschung im Überblick

In Japan treiben TEPCO/JERA, Kansai Electric Power, Tohoku Electric Power und andere Unternehmen die Entwicklung hocheffizienter LNG-Thermoanlagen, Umweltschutzmaßnahmen für Kohlekraftwerke und die operative Koordination mit erneuerbaren Energien voran. Im Ausland bringen GE Vernova, Siemens Energy und Mitsubishi Heavy Industries große Gasturbinen, Dampfturbinen, GuD-Kraftwerke und Ammoniak-/Wasserstoff-fähige Brennkammern auf den Markt. Neben den Produktnamen lohnt es sich, Nennwirkungsgrad, Mindestlast, Anlaufzeit, Brennstoffspezifikationen, Wartungsintervalle und Emissionsgarantien zu vergleichen.

Forschungsthemen umfassen Ultrahochtemperaturwerkstoffe, Low-NOx-Brennkammern, KI-gestützte Kesselverbrennungsoptimierung, Wärmerückgewinnung, Hybridisierung mit Festoxidbrennstoffzellen, CO₂-Abtrennmembranen und Lebensdauermodelle für flexiblen Betrieb. Es ist wichtig zu prüfen, ob die Effizienzgewinne einer neuen Technologie auch nach Berücksichtigung von Hilfsenergie, Katalysatorwechsel, Brennstoffvorbehandlung und Netzanschlusskosten bestehen bleiben.

Fazit

Thermische Kraftwerke sind eine Technologie, die Brennstoff, Brennkammer, thermischen Kreislauf, Turbine, Generator, Rauchgasreinigung, Kühlung und Netzbetrieb als integriertes System betrachtet. Hinsichtlich des Wirkungsgrades sind höhere Temperaturen und Kombikraftwerke überlegen – jedoch schränken Materiallebensdauer, Start-Stopp-Zyklen, Brennstoffversorgung, CO₂/NOx-Emissionen, Kühlwasserverbrauch und lokale Umweltbedingungen die Leistungsfähigkeit ein.

Bei der Bewertung von Anlagen oder Forschungsprojekten ist es hilfreich, folgende Punkte zu prüfen: (1) Welcher Kreislauf wird bei welcher Temperatur und welchem Druck betrieben? (2) Wie hoch ist der Wirkungsgrad bei Abwärme und wie verhält sich das Teillastverhalten? (3) Wie lange dauert ein Leistungswechsel und wie viele Jahre Lebensdauer werden dadurch beansprucht? (4) Wie sehen die Emissionen aus, wenn Brennstoffproduktion, Transport, Rauchgasreinigung und CCS berücksichtigt werden?

Überprüfen Sie Ihr Verständnis

Können thermische Kraftwerke allein anhand ihrer Wirkungsgrade verglichen werden?

Anpassung der Heizwertbasis, Brutto- versus Nettoleistung und den Lastbedingungen. Der Wirkungsgrad ändert sich auch im Teillastbereich.

Referenzen

8. Wärmebilanz und Nettoleistung

\dot Q_{fuel}=P_{gross}+\dot Q_{condenser}+\dot Q_{stack}+\dot Q_{other}

P_{net}=P_{gross}-P_{aux},\qquad \eta_{net}=\frac{P_{net}}{\dot m_f H}

9. Enthalpiebilanzierung im Rankine-Kreislauf

w_t=h_3-h_4,\qquad w_p=h_2-h_1,\qquad q_{in}=h_3-h_2

\eta_R=\frac{w_t-w_p}{q_{in}} =\frac{(h_3-h_4)-(h_2-h_1)}{h_3-h_2}

10. Kraft-Wärme-Kopplung und die obere Grenze des Wirkungsgrades

\eta_{total}=\frac{P_{net}+Q_{useful}}{\dot m_f H}

\eta_C=1-\frac{T_L}{T_H}

11. Gasturbinenbetrieb und Kombikraftwerke

w_{GT}=w_t-w_c

\eta_{CC}=\eta_g+(1-\eta_g)\eta_s

12. Werkstoffe und thermische Spannungen

\sigma_{th}\propto\frac{E\alpha\Delta T}{1-\nu}

13. Emissionsintensität und CCS

I_{CO_2}=\frac{EF_{fuel}}{\eta_{net}}

I_{life}=I_{upstream}+I_{transport}+I_{plant}-I_{stored}

\text{Avoidance rate}=1-\frac{I_{CCS}}{I_{reference}}

14. Ein Beispiel mit 30 MW Leistung

P_{net}=1\times50\times0.60=30\ \mathrm{MW}

\dot m_f=\frac{30}{50\times0.50}=1.2\ \mathrm{kg/s}

15. Japanische Primärquellen

16. Checkliste

Prüfen Sie vor dem Vergleich zweier thermischer Anlagen die Heizwertbasis, die Brutto- versus Nettoleistung, das Teillastverhalten, die Anlaufrate, den Anlaufverbrauch, die Brennstoffversorgung, die Kühlwasserbeschränkungen und die Lebenszyklusemissionen.

17. Hilfsenergie- und Kühlverluste

18. Wärmerückgewinnung und Dampfbedingungen

19. Verbrennungssteuerung und NOx

20. Flexibler Betrieb und Wartung

21. Brennstofflebenszyklusgrenzen

22. Sicherheit und Überwachung

23. Vergleichsgegenstand

Zur Überprüfung der einheitlichen Notation verwendet die japanische Ausgabe ebenfalls $\eta=W_{net}/Q_{in}$ , $P_{gross}$ , $\dot Q_{condenser}$ , $\dot Q_{stack}$ , $P_{aux}$ , $\dot m_f$ , $H$ , $h$ , $w_p\simeq v(P_2-P_1)$ , $T_H$ , $T_L$ , $\eta_g$ , $\eta_s$ . $\eta_g=0.40$ , $\eta_s=0.35$ , $\eta_{CC}=0.61$ , $\Delta T$ , $E$ , $\alpha$ , $\nu$ , $EF_{fuel}$ , $NH_3$ , $N_2O$ , und $r$ .

Zusätzliche Quellen der japanischen Ausgabe sind kohlenstoffarme Kraftstoffe und CCUS für Energie.

Der SVG-Namensraum folgt W3C SVG und wird hier wiederholt, um der Diagrammauszeichnung zu entsprechen: W3C SVG.

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