Verbrennungstechnische Maßnahmen - Wasserstofferzeugung

Aufgrund der fortschreitenden Abschaltung von Kernkraftwerken, gewinnt die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen stetig an Bedeutung. Die vom Freistaat Bayern beschlossene Energiewende sieht den Ausgleich der daraus resultierenden Versorgungsunstetigkeiten durch Gasturbinenkraftwerke vor. Derzeitige Gasturbinenkraftwerke sind jedoch nur unzureichend für einem flexiblen Betrieb insbesondere im Leistungsreduktionsbereich ausgelegt.

Die Maßnahmen zur Reduktion der Leistung einer Gasturbine belaufen sich derzeit meist auf eine Reduktion des Luftmassenstroms durch Vorleitschaufeln am Kompressor, eine gleichzeitige Brennstoffreduktion, sowie div. Konzepte der Brennstoffstufung. Diese Maßnahmen sind jedoch weitestgehend ausgereizt. Eine interessante Alternative hierzu ist die teilweise Umwandlung von Erdgas zu Synthesegas und eine anschließende Verbrennung in der Brennkammer. Synthesegas weist ein besseres Löschverhalten als Erdgas auf und eignet sich daher für eine Verbrennung mit höheren Luftzahlen.

Um die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten muss die Synthesegaserzeugung im Prozess integriert werden. Die Abb. 1 zeigt diesen Prozess schematisch. Durch eine geeignete Prozessführung lässt sich durch das Mischungsverhältnis zwischen Erdgas und Synthesegas in der Brennkammer stufenlos die Leistung variieren.

Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens steht der "Brennstoffprozessor". Dieser setzt das Erdgas, welches hauptsächlich aus Methan besteht zu einem Synthesegas um, welches einen möglichst hohen Anteil an Wasserstoff enthält. Wasserstoff wird in der industriellen Praxis aus Erdgas in einer Dampfreformierung gewonnen. Diese Reaktion ist jedoch stark endotherm und zudem auch sehr langsam. Dies wirkt sich einerseits negativ auf den Wirkungsgrad aus und andererseits würde der Brennstoffprozessor eine sehr große Baugröße annehmen. Alternativ lässt sich Erdgas aber unter Luftmangel verbrennen. Dabei entsteht hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Produkt der partiellen Oxidation ist jedoch sehr heiß und neigt bei der Vormischung mit Luft zur Selbstentzündung und Flammenrückschlag. Eine Kombination der beiden Prozessverläufe in einem autothermen Reaktor verbindet die Vorteile der niedrigen Produktgastemperaturen mit dem schnellen Umsatz und ist derzeit Gegenstand der Forschung. Die Abb. 2 zeigt den Wasserstoffanteil für ins thermodynamische Gleichgewicht gebrachte Methan/Luft/Wasser-Mischungen mit variierenden Anteilen.