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

Wasserstoffturbinen

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