1. Grundkenntnisse über Gasturbinen

Gasturbinen bestehen im Wesentlichen aus drei Kernkomponenten: dem Verdichter , der Brennkammer und der Turbine . Der Gasturbinenprozess wird üblicherweise als einfacher Kreislauf bezeichnet und ist die am weitesten verbreitete Konfiguration. Hochleistungsgasturbinen nutzen jedoch häufig ein Kombikraftwerksverfahren , um den Wirkungsgrad zu steigern. Historisch gesehen haben sich Gasturbinen auf unterschiedlichen technischen Wegen entwickelt. Aero-abgeleitete Gasturbinen , die in industriellen und maritimen Anwendungen eingesetzt werden, basieren auf modifizierten Flugzeugtriebwerken. Im Gegensatz dazu werden Hochleistungs-Industriegasturbinen auf Basis traditioneller Dampfturbinenkonzepte entwickelt und primär für mechanische Antriebe und die Erzeugung von Großkraftwerken eingesetzt.

Eine Gasturbine kann man sich in drei Abschnitte von links nach rechts vorstellen: den Verdichter (blau) , die Brennkammer (rot) und die Turbine (gelb).

2. Klassifizierung von Gasturbinen

Weltweit beschäftigen sich Dutzende Unternehmen mit der Forschung, Entwicklung und Herstellung von Gasturbinen. Derzeit beherrschen vier Unternehmen die Technologie für Hochleistungsgasturbinen vollständig: General Electric (GE) aus den USA, Siemens aus Deutschland, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) aus Japan (die die Technologie ursprünglich von Westinghouse in den USA lizenziert hat) und Ansaldo aus Italien. Laut Herrn Chen, Vizepräsident der Shanghai Electric Gas Turbine Co., Ltd., existiert kein internationaler Standard für die Klassifizierung von Gasturbinenmodellen, und die Unterscheidungen verschwimmen zunehmend. Basierend auf den verfügbaren Informationen lassen sich Gasturbinen wie folgt klassifizieren:

2.1 Klassifizierung nach Verbrennungstemperatur (in Schritten von 100°C):

• General Electric (GE):
  • E-Klasse: 1100 °C
  • F-Klasse: 1200 °C
  • H-Klasse: 1400 °C
• Mitsubishi Heavy Industries (MHI):
  • F-Klasse: 1400 °C
  • G-Klasse: 1500 °C
  • H-Klasse: Zwischenprüfprodukt
  • J-Klasse: 1600–1700 °C
• Siemens:
  • Ältere Modelle (V64.3A, V84.3A, V94.3A): 6F-Klasse
  • Neuere Modelle (SGT6-5000F, SGT-8000H):
    • F-Klasse: 1200 °C
    • H-Klasse: 1500 °C

2.2 Klassifizierung nach Leistung für Schwerlast-Gasturbinen:

Hochleistungsgasturbinen zur Stromerzeugung werden typischerweise nach ihrer Leistung klassifiziert, wenn die Verbrennungstemperatur zwischen 1100 °C und 1500 °C liegt:

• Class B: ≤100 MW
• Klasse E100–200 MW
• Klasse F200–300 MW
• Klasse G/H300–400 MW

Da die Leistung von Gasturbinen jedoch rasant gestiegen ist, ist diese Klassifizierungsmethode etwas überholt.

3. Entwicklung internationaler Gasturbinen

Siemens:

Die Supergasturbine SGT5-8000H ist ein Flaggschiffprodukt mit einem Gewicht von 390 Tonnen (entspricht einem vollgetankten Airbus A380) und Abmessungen von 13.1 Metern Länge, 4.9 Metern Breite und 4.9 Metern Höhe. Mit einer kombinierten Dampfturbinenleistung von 595 MW kann sie eine große Industriestadt mit Strom versorgen. Ihre Turbinenschaufeln halten Temperaturen von über 1500 °C stand und übertreffen damit die Turbineneintrittstemperaturen der GE90-Turbofan- und F404-Strahltriebwerke. Die Schaufelspitzengeschwindigkeit beträgt über 1700 km/h , wodurch jede Schaufel Zentrifugalkräften ausgesetzt ist, die dem 10,000-Fachen der Erdbeschleunigung entsprechen . Die Fertigungstoleranzen liegen im Bereich von wenigen zehn Mikrometern , da selbst kleinste Fehler eine Schaufel unbrauchbar machen können. Man sagt oft, eine einzelne Schaufel sei so viel wert wie ein BMW.

Mitsubishi Heavy Industries (MHI):

Die Supergasturbine M701J mit einer kombinierten Zyklusleistung von 650 MW verfügt über einen 15-stufigen Axialverdichter mit einem Druckverhältnis von 23:1 . Brenner und vierstufige Axialturbine sind luftgekühlt, wobei die ersten drei Stufen mit fortschrittlichen Technologien wie Hochtemperatur-Schutzbeschichtungen , keramischen Wärmedämmschichten und Hochleistungs-Luftfilmkühlung ausgestattet sind . Mit einer Turbineneintrittstemperatur von 1600 °C wird die Langlebigkeit der Hochtemperaturkomponenten gewährleistet. Die Innovationen der J-Serie konzentrieren sich auf die Reduzierung von CO₂-Emissionen. Im März 2020 erhielt MHI von der Intermountain Power Authority in Utah, USA, einen Auftrag über zwei M501JAC -Antriebsstränge. Diese Turbinen nutzen ein luftgekühltes, trockenes Low-NOx-Verbrennungssystem und können mit bis zu 30 % erneuerbarem Wasserstoff betrieben werden . Im Vergleich zu Kohlekraftwerken ähnlicher Kapazität reduziert das System mit 30 % Wasserstoffanteil die CO₂-Emissionen um über 75 % , während ein System mit 100 % Wasserstoffanteil die CO₂-Emissionen vollständig eliminiert. Das Kraftwerk strebt eine Stromerzeugung von 100 % aus erneuerbarem Wasserstoff zwischen 2025 und 2045 an .

General Electric (GE):

Die Hochleistungs-Gasturbinen der Baureihe 9HA zählen zu den effizientesten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken weltweit. Das neueste Modell 9HA.02 erreicht einen Wirkungsgrad von über 64 % und eine Leistung von 826 MW und übertrifft damit die Konkurrenz. GE setzt modernste 3D-Drucktechnologie zur Herstellung wichtiger Komponenten ein, um Leistung und Zuverlässigkeit weiter zu verbessern.

Fazit

Die Gasturbinenindustrie entwickelt sich dank Innovationen bei Werkstoffen, Kühltechnologien und Verbrennungssystemen stetig weiter. Unternehmen wie Siemens, Mitsubishi Heavy Industries und General Electric sind Vorreiter mit Turbinen, die beispiellose Effizienz, Leistung und Umweltverträglichkeit bieten. Diese Fortschritte decken nicht nur den steigenden Energiebedarf, sondern stehen auch im Einklang mit den globalen Bemühungen zur Reduzierung von CO₂-Emissionen und zum Übergang zu saubereren Energiequellen.