Wasserstoff und Biogas: Den Turbo für die Turbinenforschung einlegen
Turbinen sind das Herzstück konventioneller Kraftwerke. Doch durch die Energiewende kommen neue Aufgaben auf sie zu. Statt Kohle kommen vermehrt Biogas, Abfall oder Wasserstoff zum Einsatz. Welche Herausforderungen damit für die Turbinen verbunden sind, erläutert die Maschinenbau-Ingenieurin Verena Klapdor.
Frau Klapdor, die klassische, dampfbetriebene Turbine für ein Großkraftwerk hat in Zeiten der Energiewende Konkurrenz bekommen. Heutzutage sind umweltfreundliche und trotzdem effizient arbeitenden Turbomaschinen gefragt. Woran muss geforscht werden?
Die Flexibilisierung unserer Turbomaschinen ist entscheidend. Dampfturbinen im kombinierten Gas- und Dampfbetrieb nutzen die Restwärme des Abgases der Gasturbine. Sie erzeugen nicht nur zusätzlichen Strom, sondern liefern in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen auch die Wärme für unsere Fernwärmenetze und industrielle Anwendungen. Bei derartigen KWK-Anwendungen erreichen wir Brennstoff-Nutzungsgrade von bis zu 90 Prozent. Da die Stromversorgung durch Wind und Sonne über längere Zeiträume stark schwankt, müssen Turbinen dies ausgleichen. Das bedeutet konkret immer komplexere Lastverläufe, die Materialien und das Design herausfordern.
Wie sehen Sie die Chance, in Zukunft auch wasserstoffhaltige Gase als Brennmaterial einzusetzen?
Die Chancen dafür schätze ich hoch ein. Wasserstoff enthält im Vergleich zu Erdgas und Kohle keinen Kohlenstoff. Somit entsteht beim Verbrennungsprozess auch kein CO2. Aber durch den Wasserstoff erhöhen sich die Anforderungen an das Verbrennungssystem und die Peripherie erheblich, das muss man wissen. Ein Beispiel: Da eine Wasserstoffflamme andere Brenneigenschaften als eine Erdgasflamme hat, müssen die bestehenden Verbrennungssysteme durch neue ersetzt werden. Das heißt, wir müssen Zündverzugszeiten, Flammenstabilisierung, Stickstoffoxid-Bildung bei der Verbrennung sowie die Akustik in der Brennkammer neu bewerten und entsprechende Technologien für den neuen Brennstoff entwickeln.
Diese Forschungsaufgaben werden nicht von heute auf morgen gelöst sein.
Sicher nicht. Am Ende wird es eine Zeitfrage sein, vergleichbar mit der Einführung der Solartechnologie. Am Anfang war auch diese zu teuer im Vergleich zu etablierten Technologien. Das hat sich in den letzten Jahren geändert. Auch Wasserstoff kann bei entsprechenden Rahmenbedingungen durch die Politik und Forschungsanstrengungen in der Industrie und den Forschungseinrichtungen und Hochschulen ökonomisch produziert und transportiert werden. Gasturbinen leisten dann einen wichtigen Beitrag. Sie können den überschüssig produzierten, in Wasserstoff transformierten Strom wieder rückverstromen. Insbesondere können vorhandene Kraftwerke – bei entsprechender Eignung – auf den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet werden.
Ist Digitalisierung ein Forschungsthema?
Unbedingt. Digitalisierung hilft uns, die komplexen Berechnungen, die in der Auslegung von Turbomaschinen benötigt werden, zu automatisieren und optimieren. Darüber hinaus können wir zum Beispiel mithilfe eines digitalen Zwillings den komplexen Betrieb einer Maschine digital simulieren und so Servicebedarfe frühzeitig identifizieren.
Worin sehen Sie die Vorteile von Forschungsgemeinschaften, insbesondere des Forschungsnetzwerks Flexible Energieumwandlung?
Im Forschungsnetzwerk Flexible Energieumwandlung haben alle Forschenden und Industrievertreter, aber auch Privatpersonen, die Möglichkeit, sich über den neuesten Stand der Forschung zu informieren. Zudem kommt es zu Synergien, welche die vorwettbewerbliche Forschung voranbringen. Beim letzten Meeting der Arbeitsgruppe „Turbomaschinen“ hatten wir zum Beispiel die Situation, dass ein Vortragender von seinem Forschungsvorhaben berichtete, in dem ihm besonderes Know-how fehlte. Ein anderer Teilnehmer hat genau dieses Know-how. Viele Herausforderungen können nur gelöst werden, wenn Menschen mit den unterschiedlichsten Hintergründen aufeinandertreffen. Das wird durch die Forschungsnetzwerke des BMWI ermöglicht.
Zur Person: Die promovierte Maschinenbau-Ingenieurin ist Leiterin der Gasturbinentechnologie bei Siemens Energy und Sprecherin des Forschungsnetzwerks Flexible Energieversorgung. Dort leitet sie zudem, gemeinsam mit Professor Peter Jeschke von der RWTH Aachen, die Arbeitsgruppe „Turbomaschinen“.
Das Interview führte Ilse Trautwein, Wissenschaftsjournalistin beim Projektträger Jülich.
