Oxyfuel-Gasturbine
In der Oxyfuel-Gasturbine (aus Oxy für Oxygen (Sauerstoff) und fuel für Brennstoff) wird, im Gegensatz zur konventionellen Gasturbinen, der Brennstoff in der Brennkammer nicht mit Luft sondern mit reinem Sauerstoff verbrannt. Statt der Begrenzung der Temperatur in Brennkammer und Turbine durch eine Verbrennung mit Luftüberschuss, wird bei der Oxyfuel-Gasturbine mit Recuperatoren zur Temperaturbegrenzung auf überkritischen Druck verdichtetes H₂O eingesetzt. Dadurch besteht das Abgas bei der Oxyfuel-Gasturbine ganz überwiegend aus CO₂ und H₂O mit sehr kleinen Anteilen anderer Gase, wie O₂ und CO. Aus diesem CO₂ /H₂O-Abgasgemisch lässt sich durch Kondensation des H₂O leicht reines CO₂ herstellen.
Der Oxyfuel-Gasturbine wird der gesamte Input, nämlich Brennstoff (CₙHₘ), H₂O und O₂, unter Druck zugeführt. Dadurch entfallen die bei Nutzung von Verbrennungsluft in Gasturbinen erforderlichen Schritte der Verbrennungsluftansaugung und der Verbrennungsluftverdichtung.
Die Oxyfuel-Gasturbine besteht aus den folgenden Komponenten:
- Einer Ringbrennkammer, in der die Gasströmung axial zur Turbinenwelle ohne Richtungsänderung zur Einlassseite der Gasturbine geführt wird,
- Injektoren für O₂, Brennstoff und H₂O auf der Stirnseite der Ringbrennkammer, wobei für eine hohe Energieeffizienz die Stoffe mit hohem Druck (>60 bar) in die Brennkammer injiziert werden. Die Druckerhöhung der zugeführten Stoffe erfolgt in der flüssigen Phase, viel energieeffizienter als bei einer Verdichtung in der Gasphase.
- Einer Axial-Gasturbine, die für hohe Verbrennungstemperatur > 1.200 °C und für einen Druck am Turbineneingang > 60 bar ausgerüstet ist, in der das Gas aus der Brennkammer Arbeit leistend expandiert,
- Einem Oxy-Recuperator zur Nutzung der Enthalpie des expandierten Gasgemischs für die Erwärmung des zugeführten O₂. Der Verbrennungsdruck >60 bar liegt oberhalb des kritischen Drucks des O₂ von 50,9 bar. Die Verdichtung des O₂ mit einer O₂-Pumpe verläuft bei der Lagertemperatur des O2 < -130 °C aus der flüssigen Phase in die Phase eines überkritischen Fluids mit hoher Dichte und geringer Kompressibilität. Bei Erwärmung über die kritische Temperatur des O₂ von – 118 °C (das O₂ wird der Brennkammer mit ca. 500 °C injiziert) ändern sich die Stoffeigenschaften zu denen eines Gases (niedrige Dichte und große Kompressibilität) ohne Phasenänderung.
- Dem Hydro-Recuperator zur Nutzung der Enthalpie des expandierten Gasgemischs für die Erwärmung des der Brennkammer 9 zugeführten H₂O. Bei der Erwärmung des H₂O wird vermieden werden, dass das H₂O siedet. Dazu wird das H₂O auf einen überkritischen Druck von mindesten 221 bar verdichtet. Das H₂O wird mit ca. 310 °C in die Brennkammer injiziert. Die kritische Temperatur des H₂O von 374 °C wird bei der Erwärmung im Hydro-Recuperator nicht überschritten. Bei der Injektion in die Brennkammer wird der überkritische Druck des H₂O durch die Injektionsdüsen auf den Druck der Brennkammer reduziert.
Da das Abgas bei der Oxyfuel-Gasturbine ganz überwiegend aus CO₂ und H₂O mit sehr kleinen Anteilen anderer Gase, wie O₂ und CO, besteht lässt sich durch Kondensation des H₂O leicht reines CO₂ herstellen. Das reine CO₂ kann nachfolgend mit CCS-Technik (carbon capture and storage) unterirdisch gespeichert oder mit CCU-Technik (carbon capture and utilysation) stofflich genutzt werden.
Energieeffizienz der Oxyfuel-Gasturbine
Die wichtigsten Ergebnisse einer Prognoseberechnung für eine Oxyfuel-Gasturbine mit Recuperatoren sind nachfolgend zusammengestellt:
Der Energieeffizienzberechnung wurden folgende Parameter zugrunde gelegt:
Auf Basis dieser Parameter errechnen sich für das Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit Oxyfuelmotor und Recuperatoren die nachfolgend zusammengestellten Wirkungsgrade, jeweils bezogen auf den Brennwert Hs des eingesetzten Brennstoffs:
Von diesem elektrischen Wirkungsgrad muss zur Berechnung der Netzeinspeisung der Energieaufwand für die Pumpen, die Abgas-Verdichtung und die CO₂-Verflüssigung abgezogen werden:
Die Ergebnisse der Prognoserechnung zeigen, dass die Oxyfuel-Gasturbine mit Recuperatoren eine deutlich bessere Energieeffizienz als konventionelle Gasturbinen aufweist, neben der Vermeidung der CO₂-Emission ein doppelter Vorteil.
Kirchner Energietechnik hofft, baldmöglichst einen Kooperationspartner aus dem Gasturbinenbau zu finden, um diese theoretisch ermittelte Effizienz im Praxistest zu bestätigen.