Kleine Turbine soll große Erkenntnisse liefern

Große Turbinen in Gaskraftwerken zählen zu den leistungsfähigsten Maschinen für eine zuverlässige Energieversorgung. Für die Energiewende wird diese Technologie noch länger eine zentrale Rolle spielen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet deshalb mit Siemens daran, die nächste Generation von Turbinen zu entwickeln.

Im Fokus stehen dabei zwei Aspekte, die beide eng mit der nachhaltigen Umgestaltung des Energiesystems verbunden sind:

• Wie lassen sich Kraftwerksturbinen auch in Teillast sicher und möglichst effizient betreiben? In naher Zukunft werden Gaskraftwerke zunehmend als Reserve dienen, weil sie sich schnell hochfahren lassen. So können sie kurzfristige Ausfälle bei der Stromproduktion aus erneuerbaren Ressourcen auffangen und Lastspitzen zuverlässig abdecken. 
• Wie verhalten sich Gasturbinen, wenn statt Erdgas alternative Kraftstoffe zum Einsatz kommen? Dazu zählen zum Beispiel Biogas, Synthesegas oder Wasserstoff als Beimischung von nahezu 100 %.

Einmalige Versuchsturbine trifft auf Hightech-Prüfstände

Bereits seit 2016 entwickelt das DLR-Institut für Antriebstechnik gemeinsam mit Siemens Energy eine in dieser Form einmalige Versuchsturbine. Diese wurde im November 2020 am DLR-Standort in Göttingen angeliefert und vom Team der Abteilung Turbine erfolgreich in einem eigens aufgebauten Prüfstand integriert. Diese Turbine ist ungefähr halb so groß wie das Original für den Einsatz in Kraftwerken und wiegt 12 Tonnen.

Das DLR ist eine der wenigen Einrichtungen auf der Welt, die Tests in dieser Größe überhaupt realitätsnah durchführen können. Wichtig ist es dabei, dass der heiße Gasstrom im Inneren der Turbine transsonische Geschwindigkeiten besitzt. Das sind Geschwindigkeiten von ungefähr Mach 1. Nur so können zentrale technische Kenngrößen "richtiger" Turbinen vergleichbar nachgestellt werden. Daneben sind auch die Temperaturverhältnisse wichtig. Stimmen diese nicht, sind die Kühleffekte an den Schaufeln nicht aussagekräftig.

1.000 Messstellen auf eineinhalb Metern

Auf rund 1,5 Metern Länge verfügt die Versuchsturbine über rund 1.000 Messstellen. Zum Einsatz kommen Druckluft-Messsensoren, stationäre Drucktransmitter und optische Messverfahren. Letztere ermöglichen es, mithilfe von speziellen Lasern in die Strömung im Inneren der Turbine hineinzuschauen, ohne diese zu beeinflussen. Die gemessenen Daten geben einen Einblick, welche Temperaturen und Drücke an welcher Stelle herrschen, wie sich die Gasströme im Inneren verhalten und wie der Zustand der Schaufeln ist. Auch die präzise Bestimmung des Wirkungsgrads, der Strömungsverluste sowie die Analyse der Wärmeentwicklung und der Kühlprozesse sind Teil der messtechnischen Untersuchungen.

Besonders interessieren sich die DLR-Forschenden dafür, wie sich die Kühlluft über die Schaufeln legt und wie sich dieser Prozess optimieren lässt. „Denn je mehr Kühlluft wir in der Turbine benötigen, desto geringer wird ihr Wirkungsgrad“, beschreibt Projektleiter Philipp den Zusammenhang. „Deshalb wollen wir mit Kühlluft so sparsam wie möglich umgehen.“ Gerade im Teillastbetrieb darf die Schaufel aber auch nicht überhitzen. Sonst verschleißt diese schneller und muss früher in aufwändigen Reparaturen ausgetauscht werden.

Dazu tastet sich das Team in den Versuchen an die Grenzbereiche heran. Sie testen einerseits aus, wo diese beim Volllastbetrieb liegen und untersuchen andererseits auch den niedrigsten Teillastbetrieb von circa 20 %der Leistung. An diesem Arbeitspunkt bleiben üblicherweise im Kraftwerk alle Komponenten so temperiert, dass die Turbine flexibel und schnell wieder hochgefahren werden kann.

Nach mehreren umfangreichen Messkampagnen will Wegglers Team im Herbst erste umfangreiche Datensätze erstellt haben. Diese gleichen sie dann mit den Simulationen am Computer ab. So kann der „digitale Zwilling“ der Versuchsturbine immer weiter verbessert und zukünftige Entwicklungen beschleunigt werden.