Neuland im Kraftwerksbau
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Eine der größten verfügbaren Energieressourcen liegt in der weiteren Steigerung der Energie-Effizienz. Das gilt auch im Kraftwerksbau. DLR-Forscher wollen Erdgas besser nutzen, indem sie Gasturbinen mit Brennstoffzellen kombinieren. Auch die Industrie zeigt daran starkes Interesse und sitzt mit im Boot. Wenn Axel Widenhorn in seinem Labor die Gasturbine einschaltet, möchte er mehr aus dem eingesetzten Brennstoff herausholen, als das bisher geschieht. "Kraftwerke im unteren Megawattbereich nutzen zurzeit deutlich weniger als die Hälfte der eingesetzten Energie zur Stromproduktion", erklärt der Ingenieur vom DLR-Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart. Er leitet dort eine junge Gruppe, die die Verbrennungstechnik für ein Kraftwerk entwickelt, das Gasturbine und Brennstoffzelle zu einem Hybrid verzahnt. Dadurch soll es 60 Prozent Wirkungsgrad erreichen. Große zentrale Kraftwerke nutzen die Energie zwar ähnlich gut zur Stromproduktion. Bei ihnen verpuffen die restlichen 40 Prozent jedoch als Abwärme in der Luft. Ein kleines dezentrales Kraftwerk, das nur etwa ein Hundertstel der Leistung hat, erlaubt es dagegen, die Wärme zum Heizen von Wohnungen zu verwenden. Mit dem Hybridkraftwerk wären deshalb sowohl die Stromerzeugung als auch die Wärmenutzung effizient.
"Im Hybridkraftwerk unterstützen sich Gasturbine und Brennstoffzelle gegenseitig", erklärt Axel Widenhorn, und dadurch kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Die Brennstoffzelle produziert neben Strom über 800 Grad heiße Abgase, die die Gasturbine zum Betrieb benötigt. Die Gasturbine produziert neben Strom verdichtete Luft, die neben dem Brennstoff in die Brennstoffzelle geleitet wird. So schließt sich der Kreis. Dadurch steigt der elektrische Wirkungsgrad um bis zu 15 Prozentpunkte im Vergleich zur Brennstoffzelle, der besten Einzelkomponente.
Dass das Vorhaben Aussicht auf Erfolg hat, zeigt das Interesse der Industriepartner im Helmholtz-Virtuellen Institut "Hybridkraftwerk bestehend aus Gasturbine, SOFC Brennstoffzelle und Systemregelung". Außer Axel Widenhorns Gruppe, dem DLRInstitut für Technische Thermodynamik und dem Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart arbeiten Siemens Fuel Cells und Energie Baden-Württemberg an dem Projekt mit. Das Virtuelle Institut bildet die Basis für eine strukturierte Zusammenarbeit der Partner. Die für eine erfolgreiche Umsetzung benötigten Kernkompetenzen auf den Gebieten der Gasturbinen-, Hochtemperaturbrennstoffzellen- und Regelungstechnik werden durch die spezifischen Stärken der Partnerinstitute im Virtuellen Institut gezielt gebündelt.
Im Virtuellen Institut organisieren sie die Zusammenarbeit fast wie in einem realen Institut. Es gibt einen Sprecher und gemeinsame Teamsitzungen. Außerdem treten die Forscherinnen und Forscher nach außen gemeinsam auf, um zum Beispiel weitere Drittmittel zu akquirieren. "Wenn ich den Computer anschalte, sehe ich sofort, welche Kollegen ansprechbar sind, auch wenn sie nicht im gleichen Gebäude arbeiten", freut sich Widenhorn.
Die Ingenieure betreten in etlichen Bereichen Neuland. Sie müssen innovative Anlagen- und Betriebskonzepte für das Hybridkraftwerk entwickeln. Auch die Verbrennungsprozesse mit den im Hybridkraftwerk vorkommenden Luft-Brennstoff Gemischen wurden noch nicht detailliert erforscht. Besonders die Regelung des Hybridkraftwerks stellt sie vor große Herausforderungen. Die Brennstoffzelle benötigt nach dem Einschalten mehrere Stunden, bis sie mit voller Leistung arbeitet. Die Gasturbine kommt in wenigen Sekunden auf Hochtouren. Nach dem Einschalten des Kraftwerks muss also die Gasturbine zunächst ohne die "Symbiose" mit der Brennstoffzelle funktionieren. Die Regelung entwerfen die Ingenieure zunächst am Computer an einem virtuellen Kraftwerk. "Wir entwickeln damit Konzepte für die einzelnen Phasen. Außer für das Einschalten zum Beispiel auch für das Ausschalten, den Lastwechsel und ein Not-Aus", erklärt Axel Widenhorn. Im nächsten Schritt testen er und seine Kollegen die Steuerung an der Laboranlage. Wenn das Forschungskraftwerk im Labor funktioniert, will Energie Baden-Württemberg in fünf Jahren ein Demonstrationskraftwerk mit der neuen Technologie bauen. Mit einer Leistung von rund vier Megawatt kann es eine Kleinstadt von 4.000 Einwohnern mit Strom und teilweise mit Wärme versorgen.
