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J920-Flextra-Gasmotor: Mit einer zweistufigen Aufladung konnte der Gesamtwirkungsgrad auf über 90 Prozent erhöht werden. Bild: GE
Gasmotoren

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Rekorde beim Gesamtwirkungsgrad

Text: Klaus Payrhuber, Distributed Power Unternehmenssparte von GE
Moderne Gasmotoren haben heute eine zweistufige Aufladung und erreichen damit nicht nur eine gesteigerte Leistungsdichte, sondern auch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad sowie einen Gesamtwirkungsgrad von weit über 90 Prozent.

Die nachhaltige Nutzung der erneuerbaren Energiequellen Wind und Sonne ist der Hauptgrund dafür, dass der Anteil der CO2-freien Stromerzeugung seit Jahren in erfreulichem Maß ansteigt. Windkraft- und Solaranlagen eignen sich jedoch nicht für die kontinuierliche Strombereitstellung, da sie nur witterungsabhängig – und damit unregelmäßig – Strom liefern. Deshalb liegt ihr jährlicher Nutzungsgrad auch regelmäßig unter 50 Prozent. Das schlägt sich unter anderem darin nieder, dass die Kraftwerkskapazität, gemessen an der installierten Leistung, mit dem Ausbau der erneuerbaren Energieträger stetig steigt, obwohl sich der Strombedarf kaum ändert.

Dezentrale Energieversorgung mit Gasmotoren

Da die erneuerbaren Energiequellen starken Schwankungen unterliegen, kann zwar phasenweise ein hoher Anteil des Strombedarfs aus ihnen gedeckt werden. Zu anderen Zeiten, beziehungsweise an anderen Tagen, steht jedoch kaum Ökostrom zur Verfügung. Für einen Ausgleich dieser Schwankungen müssen konventionelle Kraftwerke sorgen, da elektrische Energie bislang ortsabhängig nur in geringen Mengen gespeichert werden kann. Neben Nuklear-, Kohle- und Gaskraftwerken kommen dafür auch alle anderen auf fossilen Energieträgern basierenden dezentralen Energieerzeugungsanlagen in Frage. Je nach Technik und Größe dieser Kraftwerke können sie mit unterschiedlicher Anfahrzeit oder Startzeit Strom ins Netz einspeisen und damit die unstete Leistung der erneuerbaren Energien besser oder schlechter ausgleichen.

Gasbetriebene dezentrale Erzeugungsanlagen punkten. Sie besitzen nicht nur kurze Reaktionszeiten, sie befinden sich in der Regel auch in der Nähe des Verbrauchsorts und können zudem häufig als Kraft-Wärme­Kopplungsanlagen betrieben werden. Gasmotoren als Einzel- oder Mehrmotorenanlagen mit Leistungen von 200 kW bis zu 10 MW eignen sich aus verschiedenen Gründen für die dezentrale Energieversorgung: Sie sind beim Brennstoff flexibel (Erdgas, Biogas, Prozess­gase, Schwachgase), haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad von nahezu 50 Prozent. Auch der Gesamtwirkungsgrad bei KWK-Anwendungen ist mit über 90 Prozent sehr hoch. Zudem bieten sie mit Startzeiten von weniger als fünf Minuten eine hohe Betriebsflexibilität und zeigen konstante Leistungen und Wirkungsgrade. General Electric in der österreichischen Jenbach baut seit mehr als 60 Jahren Gasmotoren und seit mehr als 40 Jahren auch Gasmotoren für KWK-Anlagen beziehungsweise BHKW. Einen hohen Stellenwert in der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Motoren legt GE darauf, den elektrischen Wirkungsgrad sowie den Gesamtwirkungsgrad zu steigern. Speziell in Nordeuropa wird der Fokus sehr oft auf den Gesamtwirkungsgrad gelegt, da die meisten Anlagen für die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme installiert werden.

Gesteigerte Wirkungsgrade

Die jüngsten Gasmotoren von GE – wie der Jenbacher J920-Flextra-Gasmotor – sind Motoren mit zweistufiger Aufladung, mit neuem Brennverfahren und verbesserten Miller­Steuerzeiten (Früh- und Spätverstellung des Gas-Einlassventils). Aufgrund der damit erzielten höheren Aufladung kann die spezifische Leistung des Motors auf einen effektiven Mitteldruck von 24 bar und mehr gesteigert werden. Gleichzeitig wird das Betriebsfenster ausgeweitet. In Kombination mit einem hoch entwickelten Brennverfahren und Ventilsteuerzeiten, die im Sinn des Miller-Zyklus verbessert wurden, gelingt eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads der Motoren auf nahezu 50 Prozent.

Zudem erlauben verbesserte Steuerzeiten, die Gemisch-Entspannungsphase während der Kolbenbewegung zu verbessern und damit die Temperatur im Zylinderraum zu reduzieren. Die so erzielte niedrigere Prozesstemperatur verringert die Klopfneigung, und die NOx-Emissionen (Stickoxide) können konstant gehalten werden.

Die höhere Aufladung erlaubt auch eine Verbesserung des gesamten Motorprozesses, indem die anfallende Motorkühlwärme – sie stammt im Wesentlichen aus dem Motorkühl­wasser, dem Ölkühler und der Ladeluftkühlung – für den Kraft-­Wärme-Kopplungsprozess genutzt werden kann. Da bei zweistufig aufgeladenen Motoren höhere Kühlwassertemperaturen für die erste Stufe der Ladeluftkühlung zulässig sind, kann dabei die gesamte Ladeluft-Kühlwärme nutzbar gemacht werden. Aufgrund der Verbesserung des Motorprozesses sowie der beschriebenen Nutzung der gesamten Kühlwärme, konnte der Gesamtwirkungsgrad des J920-Flextra-Gasmotors um drei bis vier Prozentpunkte gesteigert werden.

Seit vielen Jahren wird bei GE in Jenbach die Wärmenutzung von BHKW-Anlagen verbessert und damit ihr Gesamtwirkungsgrad gesteigert. Dabei gilt: Je größer die Anlagen, desto mehr Sinn ergibt es, die Wärmenutzung zu verbessern.

Daher wird beim J920-Flextra-Gasmotor der Abgaswärmetauscher fast immer als zweistufiger Wärmetauscher ausgeführt. Mit dieser Lösung wird das Abgas besser genutzt, da es statt auf 120 auf zirka 80 °C abgekühlt werden kann. Diese weitere Abkühlung ermöglicht es, zirka 700 kW mehr Wärme nutzbar zu machen und damit den Gesamtwirkungsgrad um weitere rund drei Prozentpunkte zu steigern.

Aufgrund dieser beiden Verbesserungsmaßnahmen erreicht eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Basis des ­Jenbacher J920-Flextra-Gasmotors einen Gesamtwirkungsgrad von rund 92 Prozent.

Vorzeigeprojekt BHKW Stapelfeld

Eine Lösung wurde für das J920-Flextra-Projekt Stapelfeld in der Nähe von Hamburg konzipiert. Das gemeinsam von Hansewerk Natur und GE in Jenbach unter dem Namen High Efficiency Power Generation kurz HEPG entwickelte Betriebskonzept erhöht den Gesamtwirkungsgrad durch den Einsatz einer Großwärmepumpe zusätzlich. Mit der Ammoniak-Wärmepumpe werden verschiedene Niedertemperatur-Wärmequellen mit einem Temperaturniveau von zirka 30 °C auf eine Temperatur von 60 bis 70 °C erhöht und so nutzbar gemacht.

Konkret sind diese Wärmequellen die Generatorkühlwärme sowie die Abwärme aus dem Maschinenraum und aus einem Kondensationswärmetauscher. Dieser kühlt das Abgas nochmals von 80 auf unter 60 °C ab. Da bei der Abkühlung des Rauchgases auf 60 °C und darunter der Taupunkt unterschritten wird, bildet sich Kondensat, dessen Wärme wiederum – wie bei einem Brennwertkessel – nutzbar gemacht werden kann. Die Ammoniak-Wärmepumpe erreicht ein Energy Efficiency Ratio von zirka fünf und arbeitet damit sehr effizient. Ihre Wärmeausbeute liegt bei rund 800 kW, dies steigert somit den Gesamtwirkungsgrad auf mehr als 95 Prozent. Ein hocheffizienter Jenbacher J920-Flextra-Gasmotor mit 9,5 MW elektrischer Leistung kann bei einem Gesamtwirkungsgrad von rund 95 Prozent somit mehr als zehn MW thermische Wärmeleistung bereitstellen. Im praktischen Betrieb der Anlage Stapelfeld hat sich gezeigt, dass die Abgastemperatur unter bestmöglichen Betriebsbedingungen auf weit unter 60 °C abgekühlt werden kann. So wird sogar eine thermische Wärmeleistung von weit über zehn MW erreicht. Somit steigt der Gesamtwirkungsgrad auf deutlich über 95 Prozent.

Nächste Generation an Gasmotoren

Mit einer zweistufigen Aufladung schafft GE die technische Voraussetzung, den effektiven Mitteldruck auf 24 bar – das entspricht beim J920-Flextra-Gasmotor 10,4 MW – und mehr anzuheben und damit Leistung und Wirkungsgrad von Gasmotoren zu steigern. Im Jahr 2015 konnte GE unter Testbedingungen bereits einen Wirkungsgrad von 50,1 Prozent nachweisen. Ein kommerzielles Produkt des Gasmotors mit einem elektrischen Wirkungsgrad von mehr als 50 Prozent wird also nicht mehr lange auf sich warten lassen. GE in Jenbach wird aber auch die Verbesserung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen fortsetzen.

Weitere Informationen zu der Distributed Power Unternehmenssparte von GE finden Sie im Business-Profil auf Seite 25.

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