Wasserstoffturbinen Wasserstoffturbinen --
Zukunftsmusik?Zukunftsmusik?
Yaneth Chiquillo GarzYaneth Chiquillo GarzóónnMaster PEESE TUMaster PEESE TU--BerlinBerlin
Vortragsreihe zu Vortragsreihe zu neuen Entwicklungen auf den Energiemneuen Entwicklungen auf den Energiemäärktenrkten
01.02.2008 Wasserstoffturbinen 2
InhaltInhalt
1. Einleitung2. Stand der Turbinenmaterialtechnik –Expander3. Stand der Turbinenmaterialtechnik –Brennkammer4. Brenndüsedesign für Wasserstoffverbrennung5. Eigenschaften und Anforderungen der
Verbrennung von Wasserstoff 6. Anforderungen an Materialien7. Fazit8. Literatur
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EinleitungEinleitung
Que
lle:
Siem
ens
Wasserstoffturbinen
600°CKompressor
>1800°CBrennkammer
850°C 1450°CTurbine
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WirkungsgradWirkungsgrad
Wasserstoffturbinen
Kohlekraftwerk GuD-KraftwerkCO2-Emissionen 700g/kWh CO2-Emissionen 340g/kWh
Que
lle:
SIEM
ENS
Stand der Stand der TurbinenmaterialtechnikTurbinenmaterialtechnik
-- Expander Expander --
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neue LegierungenKühlungsverfahren thermischen Schutzschichten
Quelle: Siemens
Eintrittstemperatur Schaufelmetalloberfläche1450°C 1000°C
Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons. “Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing”
FortschritteFortschritte
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KeramikschutzschichtenKeramikschutzschichten
Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons. “Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing”.
Wasserstoffturbinen
Dünne Schichten Thermische Isolierung0,5 mm 150°C
Stand der Technik in der Stand der Technik in der TurbinenmaterialtechnikTurbinenmaterialtechnik
-- Brennkammer Brennkammer --
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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. 1999
FortschritteFortschritte
Wasserstoffturbinen
BrenndBrenndüüsedesign fsedesign füür r WasserstoffverbrennungWasserstoffverbrennung
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BrenndBrenndüüsendesignsendesign
Wasserstoffturbinen
Quelle: B.Becker, B.Schetter. Use of LHV Gas in a Gasturbine. 1993
Heizöl
Erdgas
Erdgas oder Heizöl Betrieb
Synthesegas Betrieb
Dampf Injektion Syngas Luft
NO
x E
mis
sion
Luftüberschuss
ErdgasHeizwert
40.7MJ/kg
P=LuftdruckT Luft = 230°C
SyngasHeizwert 3.85 MJ/kg
Simulation
Stöchiometrische Mischung
ppm40
35
30
25
20
15
10
5
01.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Eigenschaften und Eigenschaften und Anforderungen der Anforderungen der
Verbrennung von WasserstoffVerbrennung von Wasserstoff
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Unterschiede H2 Unterschiede H2 -- ErdgasErdgas
Quelle: B.Becker, B.Schetter. Use of LHV Gas in a Gasturbine. 1993
Wasserstoffturbinen
192520401580°CTad*
1750045201860Btu/lb
40.710.54.32MJ/kgHeizwert
11.316.562.9%volInert
4.7%volCnHm
84.0%volCH4
57.424.8%volCO
*Stöquiometrische Mischung, Luftdruck und 15°C
%vol 26.112.3H2
ErdgasSynthesegas (Sauerstoffgeblasene
Vergasung)
Synthesegas (Luftgeblasene
Vergasung)
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Massenstromvergleich Massenstromvergleich
Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons “Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing”.
Wasserstoffturbinen
1.85.43.6
Sauerstoff
*keine Anpassung des Luft/Brennstoff Verhältnisses
LuftLuft-geblasene Vergasung
Sauerstoff-geblasene Vergasung
912.610.8
102020
101313
101111
KompressorBrennkammerTurbine
Wasserstoff verbrennt mitSynthesegas ausErdgasBestandteil
Einfacher Vergleich der Gasmassenstrom (mol*) der Verbrennung verschiedenen Brennstoffe mit Luft (bezüglich der Heizwert gleichwertig 1mol CH4)
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Höhere Flammengeschwindigkeit und erhöhte Flammentemperatur
Niedrigerer Heizwert
Mögliche Unreinheiten wie Schwefel und Stickstoffkomponenten
Wasserdampfzunahme des Brenngases
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Unterschiede H2 Unterschiede H2 -- ErdgasErdgas
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Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons “Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing”.
Wasserstoffturbinen
Materialanforderungen (1)Materialanforderungen (1)
Neue Keramikstoffe
Eingliederung von Hartpartikel
Nano-schichten
Schichten mit zunehmende Oxidation/Korrosionsbeständigkeit und Kompatibilität mit der Legierung
Niedrigeren Wärmeleitfähigkeit
Höherer Zähigkeit
Verbesserte Belastbarkeit
Verbesserte Bindeschicht zur Haltbarkeit
Thermalbindenschicht: Yttria-stabilisierte Zirkonium
Bindeschicht: (Ni,Pt)Al; MCrAlY
Schutzschichten: erste Schaufelreihe
Legierungen mit Ir und Ru-Zusatz
Verbesserte Kühlung
Höher Temperaturbeständigkeit
Hoch ertragsfähiges Gießen
Einfache Wärmebehandlung
Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit Daten
Monokristalline Superlegierungen
Schaufeln und Leitschaufeln
Verbesserte Kühlung
Schutzschichten
Legierungen mit definierter Orientierung der Kristalle
Keramiken
Hochtemperaturbeständigkeit
Herstellbarkeit
Postschweißen-Wärmebehandlung Rissbeständigkeit
Nickelbasislegierungen 230, 617
Brenndüse
Legierungen mit definierter Orientierung der Kristalle
Keramiken
Hochtemperaturbeständigkeit Nickelbasislegierungen Brennkammer
AlternativeAnforderungStand der TechnikBestandteil
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Quelle: I.G. Wright, T.B. Gibbons “Recent developments in gas turbine materials and technology and their implications for syngas firing”.
Wasserstoffturbinen
Materialanforderungen (2)Materialanforderungen (2)
NickelbasislegierungenVerbesserte Leistung
Verformbarkeit
Gute Bearbeitungsfähigkeit
Voraussage der Thermomechanischermüdung
12%Cr StähleScheibe
Höher Chromgehalt Sulfidation/ Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit
Erosionsbeständigkeit
MrCrAlY SchichteSchutzschichten: nachfolgende Schaufelnreihe
AlternativeAnforderungStand der TechnikBestandteil
Fazit Fazit
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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 Reinheitder Brennstoff (Synthesegas) sind ratsam
Wasserstoffturbinen
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LiteraturLiteratur(1) I.G. Wright, T.B. Gibbons “Recent developments in gas turbine materials
and technology and their implications for syngas firing”. 2006(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. 1999 (5) www.wikipedia.org(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). 2003(10) B.Becker, B.Schetter. Use of LHV Gas in a Gasturbine. 1993