Wasserstoffturbinen - Zukunftsmusik?

Transkript

1 Wasserstoffturbinen - Zukunftsmusik? Yaneth Chiquillo Garzón Master PEESE TU-Berlin Vortragsreihe zu neuen Entwicklungen auf den Energiemärkten rkten

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Stand der Turbinenmaterialtechnik Expander 3. Stand der Turbinenmaterialtechnik Brennkammer 4. Brenndüsedesign für Wasserstoffverbrennung 5. Eigenschaften und Anforderungen der Verbrennung von Wasserstoff 6. Anforderungen an Materialien 7. Fazit 8. Literatur 2

3 Einleitung Quelle: Siemens Turbine 850 C 1450 C Brennkammer >1800 C Kompressor 600 C 3

4 Wirkungsgrad Quelle: SIEMENS Kohlekraftwerk CO2-Emissionen 700g/kWh GuD-Kraftwerk CO2-Emissionen 340g/kWh 4

5 Stand der Turbinenmaterialtechnik - Expander -

6 Fortschritte neue Legierungen Kühlungsverfahren thermischen Schutzschichten Quelle: Siemens Eintrittstemperatur Schaufelmetalloberfläche 1450 C 1000 C Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons. Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing 6

7 Keramikschutzschichten Dünne Schichten Thermische Isolierung 0,5 mm 150 C Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons. Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing. 7

8 Stand der Technik in der Turbinenmaterialtechnik - Brennkammer -

9 Fortschritte Nickelbasislegierungen Sekundärluft zur Kühlung Brennkammerauskleidung Quelle: Wikipedia Verbrennungstemperatur Maximale Temperatur in der Brennkammer >1800 C 1500 C Quelle: M. Blomeyer. Entwicklung und Auslegungskriterien für die Mischzone einer luftgestuften Gasturbinen- Ringbrennkammer

10 Brenndüsedesign für f Wasserstoffverbrennung

11 Brenndüsendesign ppm 40 Erdgas oder Heizöl Betrieb Synthesegas Betrieb Erdgas Heizwert 40.7MJ/kg Erdgas Dampf Injektion Syngas Luft NOx Emission Heizöl Quelle: B.Becker, B.Schetter. Use of LHV Gas in a Gasturbine P=Luftdruck T Luft = 230 C Syngas Heizwert 3.85 MJ/kg Simulation Luftüberschuss Stöchiometrische Mischung

12 Eigenschaften und Anforderungen der Verbrennung von Wasserstoff

13 Unterschiede H2 - Erdgas H2 CO CH4 CnHm Inert Heizwert Tad* %vol %vol %vol %vol MJ/kg Btu/lb C Synthesegas (Luftgeblasene Vergasung) Synthesegas (Sauerstoffgeblasene Vergasung) %vol Erdgas *Stöquiometrische Mischung, Luftdruck und 15 C Quelle: B.Becker, B.Schetter. Use of LHV Gas in a Gasturbine

14 Massenstromvergleich Einfacher Vergleich der Gasmassenstrom (mol*) der Verbrennung verschiedenen Brennstoffe mit Luft (bezüglich der Heizwert gleichwertig 1mol CH4) Bestandteil Erdgas Synthesegas aus Wasserstoff verbrennt mit Sauerstoffgeblasene Vergasung Luft-geblasene Vergasung Luft Sauerstoff Kompressor Brennkammer Turbine *keine Anpassung des Luft/Brennstoff Verhältnisses Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing. 14

15 Unterschiede H2 - Erdgas Höhere Flammengeschwindigkeit und erhöhte Flammentemperatur Niedrigerer Heizwert Mögliche Unreinheiten wie Schwefel und Stickstoffkomponenten Wasserdampfzunahme des Brenngases 15

16 Materialanforderungen (1) Bestandteil Brennkammer Brenndüse Schaufeln und Leitschaufeln Schutzschichten: erste Schaufelreihe Stand der Technik Nickelbasislegierungen Nickelbasislegierungen 230, 617 Monokristalline Superlegierungen Thermalbindenschicht: Yttria-stabilisierte Zirkonium Anforderung Hochtemperaturbeständigkeit Hochtemperaturbeständigkeit Herstellbarkeit Postschweißen-Wärmebehandlung Rissbeständigkeit Höher Temperaturbeständigkeit Hoch ertragsfähiges Gießen Einfache Wärmebehandlung Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit Daten Niedrigeren Wärmeleitfähigkeit Höherer Zähigkeit Verbesserte Belastbarkeit Alternative Legierungen mit definierter Orientierung der Kristalle Keramiken Verbesserte Kühlung Schutzschichten Legierungen mit definierter Orientierung der Kristalle Keramiken Legierungen mit Ir und Ru-Zusatz Verbesserte Kühlung Neue Keramikstoffe Eingliederung von Hartpartikel Nano-schichten Bindeschicht: (Ni,Pt)Al; MCrAlY Verbesserte Bindeschicht zur Schichten mit zunehmende Haltbarkeit Oxidation/Korrosionsbeständigkeit Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for und Kompatibilität mit der syngas firing. Legierung 16

17 Materialanforderungen (2) Bestandteil Stand der Technik Anforderung Alternative Schutzschichten: nachfolgende Schaufelnreihe MrCrAlY Schichte Sulfidation/ Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit Erosionsbeständigkeit Höher Chromgehalt Scheibe 12%Cr Stähle Verbesserte Leistung Nickelbasislegierungen Verformbarkeit Gute Bearbeitungsfähigkeit Voraussage der Thermomechanischermüdung Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing. 17

18 Fazit

19 Gasturbinentechnologie hat ständig Weiterentwicklungspotential bewiesen Bei der Synthesegasverbrennung können die NOx- Emissionen niedriger als 3ppm sein und sich fast konstant halten. Änderungen des Brennkammerdesigns sind benötig wegen die höhere Flammengeschwindigkeit Anpassungen der Bestandteile sind erforderlich weil der Gasstrom in der Turbine niedriger ist. Verbrennung von Wasserstoff in Gasturbine erfordert Weiterentwicklung von Materialien Die vollständige Entschwefelung und eine höhere Reinheit der Brennstoff (Synthesegas) sind ratsam 19

20 Literatur (1) I.G. Wright, T.B. Gibbons Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing (2) Strategiekreis Wasserstoff des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit. Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff- Energietechnologie 2005 (3) SIEMENS A.G. Pictures of the Future. Frühjahr 2002 (4) M. Blomeyer. Entwicklung und Auslegungskriterien für die Mischzone einer luftgestuften Gasturbinen-Ringbrennkammer (5) (6) SIEMENS A.G. Pictures of the Future. Frühjahr 2004 (7) SIEMENS A.G. Energieeffizienz mehr mit weniger erreichen, Oktober 2006 (8) SIEMENS A.G. Pictures of the Future. Herbst 2007 (9) M.Flamme. New combustion systems for gas turbines (NGT) (10) B.Becker, B.Schetter. Use of LHV Gas in a Gasturbine