Gaskraftwerk

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GuD-Kombikraftwerk Hamm-Uentrop (im Vordergrund die Abhitzekessel, im Hintergrund die Maschinenhäuser mit Gas- und Dampfturbine

Ein Gaskraftwerk ist ein Kraftwerk, welches als Primärenergiequelle die chemische Energie aus der Verbrennung eines Brenngases (in der Regel Erdgas) nutzt.

Nomenklatur

Wird die Bezeichnung Gaskraftwerk ohne nähere Angabe zur Art des Gases verwendet, so handelt es sich in der Regel um Erdgas. Bei anderen Brenngasen (siehe unten) wird die Art zumeist im Namen aufgeführt (Biogaskraftwerk, Gichtgaskraftwerk, ...).

Kraftwerke, die nicht die chemische, sondern die kinetische oder thermische Energie eines Gases nutzen (wie etwa Windkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke o.ä.) werden üblicherweise nicht als Gaskraftwerk bezeichnet.

Auch für Brennstoffzellenkraftwerke ist die Verwendung der Bezeichnung unüblich, obwohl es sich bei dem in der Zelle umgesetzten Brennstoff häufig um ein Brenngas (meist Wasserstoff) handelt.

Arten von Gaskraftwerken

Als Technologie für die Umwandlung der im Brenngas gespeicherten chemischen Energie in thermische, mechanische und letztlich elektrische Energie kommen verschiedene Arten von Wärmekraftwerken in Frage:

Gasturbinen- und -motorenkraftwerke

→ Hauptartikel: Gasturbinenkraftwerk, Gasturbine und Gasmotor

Schema eines Gasturbinenkraftwerkes (im Bild mit Dual-Brennstoff Gas + Öl)

Gasturbinenkraftwerk Thyrow, bestehend aus 2x4 Gasturbinensätzen, befeuert mit Erdgas und Heizöl

Bei Gaskraftwerken dieser Bauart wird die Energie des Brenngases direkt in einer Verbrennungskraftmaschine in mechanische Antriebsenergie und weiter mittels eines angekuppelten Generators in elektrische Energie ("Strom") umgewandelt.

Bei den eingesetzten Maschinen handelt es sich meist um Gasturbinen; alternativ kommen je nach Einsatzart und Größe auch Gasmotoren (interne Verbrennung) oder Stirlingmotor (externe Verbrennung) in Frage. Während Motoren vor allem als kleinere (Not-)Stromaggregate oder als kompakte Blockheizkraftwerke für die dezentrale Strom- und Wärmeversorgung verbreitet sind, finden größere Gasturbinenkraftwerke als Industriekraftwerke und in der öffentlichen Stromversorgung Verwendung (letzteres wegen der unten genannten Nachteile heute nur noch als Spitzenlastkraftwerk).

Gaskraftwerke dieser Bauart zeichnen sich durch ihren einfachen Aufbau, eine hohe Leistungsdichte, hohe Flexibilität mit kurze Startzeiten (ca. 15 Minuten bis Volllast) und hohe Lastgradienten sowie niedrige spezifische Investitionskosten (€/kW) aus. Durch den Verzicht auf den Dampfprozess entfallen viele Systeme und Anlagenteile; die Anlage besteht im Wesentlichen nur aus der Maschine mit ihrem Verbrennungsluft- und Abgassystem sowie der Brennstoffversorgung und der elektrischen Netzanbindung (siehe Schema). Häufig wird bei solchen Anlagen auf eine Maschinenhaus verzichtet, die Maschine erhält nur eine einfache Wetterschutzhaube, die auch als Schallisolierung wirkt. Dank der hohen Verfügbarkeit und Automatisierung solcher Maschinen ist vor Ort kein ständiges Bedien- und Wartungspersonal erforderlich. Der Betrieb läuft weitgehend vollautomatisch, die Bedienung kann ferngesteuert erfolgen, eine Leitwarte vor Ort ist normalerweise nicht vorhanden.

Der Hauptnachteil von Verbrennungskraftmaschinen liegt in ihrem geringen Wirkungsgrad, der im einfachen Prozess ("Simple Cycle", d.h. nur Open Cycle ohne nachgeschalteten Dampfprozess) in der Regel nur bei maximal 30 % liegt. Da der hochwertige und teure Brennstoff so nur schlecht ausgenutzt wird, werden größere Gasturbinen- und -motorenkraftwerke in den meisten Ländern heute fast nur noch nur als "Peaker" (Spitzenlastkraftwerk) eingesetzt. Wegen der Nachteile setzten sich in den 1990er-Jahren zunehmend Kombikraftwerke (siehe unten) durch. Ältere Kraftwerke aus der Zeit davor wurden überwiegend entweder zu Kombikraftwerken umgerüstet oder nur noch als schnellstartfähige Reserve betriebsbereit gehalten. Nur in Ländern, die über große eigene Gasvorkommen verfügen und in denen die Gaspreise entsprechend niedrig sind, werden Gasturbinen- und -motorenkraftwerke auch heute noch in der Mittel- und manchmal sogar Grundlast eingesetzt. Sonderfälle sind Kraftwerke, die Spezialgase wie Biogas, Grubengas, Deponiegas u.ä. verbrennen (siehe unten Abschnitt Brengase).

Gasgefeuerte Dampfkraftwerke

Schema eines konventionellen, gasgefeuerten Dampfkraftwerkes

→ Hauptartikel: Dampfkraftwerk

Bei Gaskraftwerken dieser Bauart handelt es sich um konventionelle Dampfkraftwerke, deren Dampferzeuger (Kessel) über Gasbrenner mit einem Brenngas befeuert wird.

In ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise ähneln solche Gaskraftwerke anderen befeuerten Dampfkraftwerken: Der im Kessel erzeugte Dampf wird mittels einer Dampfturbine zur Stromerzeugung genutzt. Ein Kühlsystem (Kühlturm o.ä.) führt die unvermeidlich anfallende Abwärme an die Umgebung ab. Gegenüber Dampfkraftwerken, die mit Festbrennstoffen befeuert sind, sind viele Systeme jedoch wesentlich einfacher, angefangen mit Brennstoffversorgung. Auch fällt bei einem Gaskraftwerk keine Asche oder Schlacke aus der Verbrennung an. Auch die Abgasreinigung ist bei Brenngasen stark vereinfacht: Eine Entstaubung von Ruß oder Flugasche wird bei sauberer Verbrennung nicht benötigt. Bei schwefelarmen Brenngasen kann auch auf eine Rauchgasentschwefelung verzichtet werden. Eine Entstickung (katalytisch oder nicht-katalytisch kann in die Verbrennung und den Dampferzeuger integriert werden. Häufig kann daher Kamin - ohne zwischengeschaltete Abgasreinigung - direkt oben auf den Turmkessel aufgesetzt werden.

Nachteil dieser Bauart ist, ähnlich wie oben bei den Verbrennungskraftmaschinen, vor allem der relativ schlechte Wirkungsgrad. Gegenüber Verbrennungskraftmaschinen kommt erschwerend hinzu, dass ein gasgefeuertes Dampfkraftwerk wesentlich teuerer im Bau ist und hinsichtlich Startzeiten (ca. 1 h bis Volllast) und Lastgradienten nicht ganz so flexibel ist. Dass dennoch bis in die 1980er-Jahre solche Gaskraftwerke in größerer Zahl gebaut wurden, lag vor allem daran, dass in dieser Zeit das Gas noch relativ preisgünstig war und dass die auf dem Markt verfügbaren Gasturbinen und -motoren noch relativ klein waren. Mit der Entwicklung leistungsfähigerer Gasturbinen wurden gasgefeuerte Dampfkraftwerke ab den 1990er-Jahren zunehmend durch GT- und Kombikraftwerke (siehe unten) verdrängt. Ältere gasgefeuerte Dampfkraftwerke, die heute noch in Betrieb sind, werden fast nur als Spitzenlastkraftwerk oder als Heizkraftwerk in Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt.

Kombikraftwerke

Schema eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerkes

→ Hauptartikel: Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk und Vorschaltgasturbine

In einem Kombikraftwerk wird eine Verbrennungskraftmaschine (Gasturbine oder -motor) mit einem Dampfkraftwerk (bestehend aus einem Abhitzedampferzeuger und einer Dampfturbine mit Kühlsystem) kombiniert; so werden die Vorteile der beiden oben genannten Typen kombiniert und die Nachteile teilweise abgemildert. Die Maschine macht das Kraftwerk flexibel und schnell in der Einsatzweise, und durch die Kombination von Gas- und Dampfprozess erreichen Kombikraftwerke den höchsten Wirkungsgrad aller thermischen Kraftwerke (bis ca. 60%). Nachteilig sind auch bei diesem Typ vor allem die hohen Brennstoff- und damit Betriebskosten, die dazu führen, dass auch Kombikraftwerke nur in Ausnahmefällen in der Grundlast eingesetzt werden.

Bei den Kombikraftwerken sind zwei Unterarten zu unterscheiden:

• Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk: Kombination aus Verbrennungskraftmaschine und Dampfprozess
• Gas-Kombiblock: Gasgefeuertes Dampfkraftwerk mit Vorschaltgasturbine: ...

Brenngase

→ Hauptartikel: Brenngas

In der Regel, wenn nichts anderes angegeben ist, handelt es sich beim verbrannten Gas um Erdgas.

Seltener kommen andere Brenngase zum Einsatz:

• Kuppelgase aus Industrieprozessen (Gichtgas, Hochofengas, Raffineriegas, ...)
• Biogas, Kompogas, Deponiegas
• Wasserstoff, EE-Gas, ...
• Flüssiggase

Die oben im Abschnitt Arten von Gaskraftwerken genannten Technologien für Brenngase sind jenen für Flüssigbrennstoffe sehr ähnlich. Insbesondere ältere Gaskraftwerke sind daher häufig "dual" ausgeführt, so dass je nach Bedarf sowohl Gas als auch flüssige Brenn-/Kraftstoffe (Diesel, Heizöl, ...) eingesetzt werden können, d.h. das Kraftwerk wird dann ganz oder anteilig als Ölkraftwerk betrieben.

Einsatzweise

Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern 1990 - 2011
(grau = Erdgas)

Anlagen, die Gas verbrennen, sind im Vergleich zu Festbrennstoffanlagen vergleichsweise einfach im Aufbau und haben eine hohe Leistungsdichte, woraus relativ geringe Baukosten resultieren. Da Brenngase aber in der Regel sehr hochwertige und damit teure Brennstoffe sind, haben Gaskraftwerke hohe Betriebskosten. Aus dem Verhältnis von Bau- und Betriebskosten ergibt sich, dass Gaskraftwerke meist für die Lastregelung im Mittel- und Spitzenlastbereich eingesetzt werden. Im Grundlastbereich sind Gaskraftwerke normalerweise allenfalls als Heizkraftwerke in Kraft-Wärme-Kopplung wirtschaftlich.

Einsatz von Gas zur Stromerzeugung hat sich in Deutschland zwischen 1990 und 2012 verdoppelt (siehe Bild).

Wegen der kurzen Startzeit und schnellen Regelbarkeit gelten Gaskraftwerke als unverzichtbar zum Ausregeln von Schwankungen, wie sie durch die wachsende Einspeisung von volatilem Strom aus Wind- und Sonnenenergie zunehmend auftreten. Seitens Politik und Verbänden wird daher ein weiterer Ausbau der Gaskraftwerkskapazitäten als Reserve zur Besicherung der Energiewende gefordert und vorhergesagt. Seitens der Betreiber wird aber beklagt, dass insbesondere der Wegfall der Mittagsspitze durch die steigende Einspeisung aus Photovoltaikanlagen die Wirtschaftlichkeit von Gaskraftwerken stark mindert, so dass derzeit kein Anreiz zum Bau neuer Gaskraftwerke besteht. Im Gegenteil, einige Betreiber haben die Stilllegung von unwirtschaftlichen Gaskraftwerken angekündigt, woraufhin ein neues Gesetz erlassen wurde, wonach Gaskraftwerke, die von der Bundesnetzagentur als "systemrelevant" eingestuft werden, gegen Zahlung einer Entschädigung von Betreiber betriebsbereit gehalten werden müssen.

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Literatur

• Christof Lechner (Hrsg.): Stationäre Gasturbinen. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-92788-4, insbes. Kapitel 3: GT-Kraftwerke. 
• Wolfgang Ströbele, Wolfgang Pfaffenberger: Energiewirtschaft: Einführung in Theorie und Politik. Hrsg.: Michael Heuterkes. Oldenbourg, 2010, ISBN 978-3-486-58199-7. 
• Panos Konstantin: Praxisbuch Energiewirtschaft: Energieumwandlung, -transport und -beschaffung im liberalisierten Markt. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-78591-0. 
• Karl Schröder (Hrsg.): Grosse Dampfkraftwerke, Planung, Ausführung und Bau. in 2 Bänden. Springer, 1962. 

Weblinks

Commons: Gaskraftwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Commons: Erdgaskraftwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Gaskraftwerk. Auf: Wir ernten was wir säen. DIALOGIK - gemeinnützige Gesellschaft für Kommunikations- und Kooperationsforschung, Stuttgart.

Einzelnachweise

Gas Gaskraftwerk