Definition des Technologiefeldes

Im Fokus der folgenden Beschreibung stehen dezentrale Blockheizkraftwerke (BHKW) mit einer elektrischen Leistung von kleiner 10 MW. Die hier betrachteten Anlagentechnologien beinhalten Gasmotoren und (Mikro-)Gasturbinen.

Bei Gasmotoren können zwei Verbrennungsverfahren unterschieden werden, neben dem Otto-Gasmotor mit Fremdzündung existiert auch das Diesel-Verfahren mit Selbstzündung. Im Folgenden wird ausschließlich auf den Otto-Gasmotor eingegangen, einem nach dem Otto-Prozess arbeitenden Hubkolbenmotor, der in den meisten Fällen durch Turbolader aufgeladen wird (Erhöhung von Leistungsdichte und Wirkungsgrad). Die Zündung des Brennstoff-Luftgemisches erfolgt durch Fremdzündung mittels Zündkerze, wobei das homogene Brennstoff-Luft-Gemisch außerhalb des Brennraums erzeugt wird.

Mikrogasturbinen basieren in der Regel auf ungekühlten, einstufigen, radialen Turbokomponenten. Im Gegensatz zu Gasturbinen werden aufgrund des niedrigeren Druckniveaus sogenannte Rekuperatoren (Gas-Gaswärmetauscher; Luftvorwärmer) zur Wirkungsgradsteigerung eingesetzt, die mittels der Abgaswärme der Turbine die komprimierte Frischluft vorwärmen. Aufgrund der kontinuierlichen Verbrennung mit niedrigen Brennstoff-Luftverhältnissen können niedrige Emissionen ohne Abgasnachbehandlung erreicht werden. Zudem zeichnen sich Mikrogasturbinen durch eine hohe Brennstoffflexibilität aus, d.h. es kann eine Vielzahl von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen genutzt werden.

Aktueller Stand der Technologie

Sowohl die Gasmotor- als auch die Mikrogasturbinentechnologie sind als BHKW-Anwendung weit verbreitet, ausgereift und zuverlässig (TRL-Level insgesamt je 9). Bislang sind beide Technologien für den Volllastbetrieb optimiert, eine Erhöhung der Lastflexibilität hinsichtlich Teillastfähigkeit und Laständerungsgeschwindigkeit und damit einer Verbesserung des dynamischen Betriebs wird angestrebt. Aufgrund zukünftiger Änderungen in der Gasversorgung beispielsweise durch LNG (Liquified Natural Gas) oder erneuerbar erzeugte Brennstoffe wird die Brennstoffflexibilität an Bedeutung gewinnen. Die elektrischen Wirkungsgrade liegen in einem Bereich von minimal 19 % für Mikro-BHKWs (ab 1 kW) bis maximal 49 % für Großgasmotoren (bis ca. 10 MW). Die thermischen Wirkungsgrade betragen zwischen 31 % bis 82 % und sinken mit zunehmendem elektrischen Wirkungsgrad. Eine weitere Optimierung des elektrischen Wirkungsgrades kann durch die Kopplung des Gasmotors mit Zusatzeinrichtungen erreicht werden, die die verbleibende Energie im Abgas nutzen, z. B. eine nachgeschaltete Nutzturbine, thermochemische Rekuperation oder ein nachgeschalteter ORC- oder Dampfprozess. Abhängig von der Systemgröße wird noch ein Steigerungspotenzial, insbesondere für die kleinen und mittleren Gasmotor- BHKWs, von bis zu 10 % erwartet. Das Steigerungspotenzial des Gesamtwirkungsgrads wird aktuell auf ca. 6-7 % geschätzt. In puncto Emissionen kommt neben der Optimierung der innermotorischen Reduktion meist noch eine nachmotorische Schadstoffreduzierung zum Einsatz. Insbesondere bei Magermotoren kann zusätzlich zu den bisher eingesetzten Oxidationskatalysatoren die SCR (Selective Catalytic Reduction) -Technologie unter Zugabe von Ammoniak oder einer wässrigen Harnstofflösung zur Reduktion der NOX-Emissionen verwendet werden. Aktuelle Magermotoren in der mittleren Leistungsklasse mit Oxidationskatalysator erreichen NOX- Werte von 250 bis 500 mg/Nm3 und 200 – 650 mg/Nm3 CO bei 5 % Restsauerstoff im Abgas.

Mikrogasturbinen sind aktuell in der Leistungsklasse von 30 kW bis 200 kW, bzw. in Clustern bis zu 1 MW erhältlich. Diese haben einen elektrischen Wirkungsgrad von 24 % bis 33 % und einen thermischen Wirkungsgrad von 48 % bis zu 60 %. Im Vergleich zur Gasmotorentechnologie bestehen beim konventionellen, rekuperierten Mikrogasturbinenkonzept deutliche Potenziale die Wirkungsgrade zu erhöhen. Neben der Steigerung der Komponentenwirkungsgrade (v.a. Turbokomponenten, Rekuperator) bzw. Reduktion des Komponentendruckverlusts stellt die Steigerung von Verdichterdruckverhältnis und Turbineneintrittstemperatur die wesentliche Herausforderung zur Erhöhung des Wirkungsgrades dar.

Bei den Turbokomponenten besteht vor allem Optimierungsbedarf in der aerodynamischen Effizienz (Designoptimierung von Schaufeln, Laufrad und Verdichtergehäuse). Des Weiteren ist die Abstimmung zwischen Turbinenrad und Verdichter von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der ungekühlten und unbeschichteten Turbinenschaufeln wird die mögliche maximale Turbineneintrittstemperatur durch das eingesetzte Material begrenzt. Für die ungekühlten Turbinenschaufeln werden aktuell komplexe Nickelbasis-Superlegierungen verwendet, die teils eine dauerhafte Turbineneintrittstemperatur von bis zu 950 °C ermöglichen. Als Alternative zu metallischen Werkstoffen bietet sich die Entwicklung von faserverstärkten Keramiken (ceramic matrix composites, CMC) an.

Der weiteren Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads konventioneller Mikrogasturbinen dienen auch Rekuperatoren. Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte liegen hier in der Erhöhung der Gesamteffizienz in Bereiche von größer 90 % sowie der Reduktion der Druckverluste (derzeit im Bereich 2-3 % relativer Druckverlust je Seite (Luft/Abgas)). In der Regel wird die Wärme im Kreuzstrom mittels Primary Surface Rekuperatoren oder Plate-Fin Rekuperatoren übertragen. Die hochtemperaturbelasteten Materialien erfordern – wie die Turbinenmaterialien – eine hohe Kriechbeständigkeit sowie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation. Aktuell werden Materialien wie „MA 253“, ein hitzebeständiger austenitischer Chrom-Nickel- Edelstahl, für Einsatztemperaturen bis 650 °C bzw. „Inconel 625“ für Temperaturen bis 800 °C verwendet. Neben den derzeit am häufigsten eingesetzten Drall- Brennerkonzepten werden insbesondere Brennkammern auf der Basis des FLOX®- Konzepts (flammenlose Oxidation) entwickelt, welche eine große Brennstoffflexibilität sowie in einem weiten Betriebsbereich betrieben werden können. Durch ein einstufiges Brennersystem auf Basis des FLOX®-Konzepts in einer Mikrogasturbine konnten zudem deutliche Emissionsminderungen erreicht werden (NOX-Werte von unter 5 ppm / 10 mg/Nm3, CO-Emissionen von unter 10 ppm / 12,5 mg/Nm3).

Quellen