Gas- und Dampfkraftwerk

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
(Fossile) Brennstoffe	Elektrischer Strom	Wärme

Kurzbeschreibung

Physikalisches Prinzip: Joulprozess (Gasturbine) gekoppelt mit Clausius-Rankine-Prozess (Dampfturbine).

Prozessablauf (Biedermann; Kolb 2014)

Brennstoff (z.B. Erdgas) und Luft wird von einem Kompressor verdichtet.
Verdichtetes Luft-Brennstoffgemisch wird in einer Brennkammer gezündet und zur Reaktion gebracht
Das heiße Brenngas wird in der Gastrubine entspannt
Über die Turbine wird ein Generator angetrieben über welchen Strom erzeugt wird
Das immernoch relativ heiße Abgas wird als Wärmequelle für das Verdampfen eines Mediums in einem nachgelagerten Kreislauf verwendet.
Im 2. Kreislauf wird das Verdampfte Medium in einer zweiten Turbine entspannt
Anschließend wird das Medium in einem Kondensator kondensiert
und in einer nachgelagerten Speisewasserpumpe auf den nötigen Druck gebracht

Funktionsskizze

(gas-und-dampfturbinenkraftwerk.de)

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Der Gesamtwirkungsgrad eines GuD-Kraftwerkes berechnet sich aus der erzeugten Strommenge und der genutzten Wärme:

$Brennstoffausnutzungsgrad = \;\frac{{Pel + \dot QHeiz}}{{\dot QBrennstoff}}$

Mit ${\rm{Pel}}$ = elektrische Leistung, ${\rm{\dot QHeiz}}$ = Abwärmeleistung, ${\rm{\dot QBrennstoff\;}}$ = Zugeführte Brennstoffleistung

Typische Wirkungsgrade liegen bei bis etwa 60 % (reine Stromerzeugung), bis zu 90 % (Wärme- und Stromerzeugung) (Marenbach; Nelles; Tuttas 2013)

Betriebs-Charakteristika

Typische Anfahrtzeiten	heiß: 1 h, kalt: 3 h Typische Lastgradienten: 4 %/min (Wesselak; Schabbach; Link; Fischer 2017)
Regelbarkeit	Typischerweise haben die Kraftwerke Mindestleistungen von ca. 40-50 % der Nennlast und können zwischen der Mindest- und der Maximallast stufenlos geregelt werden (Wesselak; Schabbach; Link; Fischer 2017).

Energetische Kennwerte

Verfügbare Leistungsstufen/-klassen	10 – 1.000 MW
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung	Wirkungsgradverlust bei Pmin : 11 % (Wesselak et al., 2017)

Wirtschaftliche Kennwerte

Investkosten/kW	500 €/kW (Marenbach; Nelles; Tuttas 2013)
Komplexität	hohe Systemkomplexität, nur ausgebildetes und geschultes Personal

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Best Available Technology

Ja – Mit GuD-Kraftwerken kann prinzipiell Energieflexibilität angeboten werden.

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

hoher Wirkungsgrad
Strom und Wärme können bereit gestellt werden
geringe spezifische Investitionskosten

Nachteile

bei der Verbrennung entsteht CO2

Anwendungsbeispiele

Kohlekraftwerke sowie GuD Kraftwerke werden zur Deckung der Grundlast eingesetzt. Gasturbinen hingegen werden aufgrund ihrer hohen Leistungsgradienten zur Deckung der Spitzenlast eingesetzt. (Wesselak; Schabbach; Link; Fischer 2017)

Literaturverzeichnis

Biedermann, F.; Kolb, M. (2014): Ratgeber Wärme in Hessen. Nutzung von Wärmetechnologien. Hg. v. IHK Hessen
energie-lexikon.info (2010): Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk, zuletzt geprüft am 01.08.2019
energie-lexikon.info (2010): Kohlekraftwerk, zuletzt geprüft am 01.08.2019
gas-und-dampfturbinenkraftwerk.de: GUD-Kraftwerk, zuletzt geprüft am 01.08.2019
Marenbach, R.; Nelles D.; Tuttas C. (2013): Elektrische Energietechnik, Grundlagen, Energieversorgung, Antriebeund Leistungselektronik, Springer Vieweg
Oeding, B.; Oswald, B. R. (2016): Elektrische Kraftwerke und Netze, Springer Vieweg
Wesselak, V.; Schabbach, T.; Link, T.; Fischer J. (2017): Handbuch Regenerative Energietechnik, Springer Vieweg