Wenn man den Begriff “Gasturbine” hört, denkt man vielleicht an Flugzeugturbinen. Aber wie funktionieren diese eigentlich im Inneren? Dies, die Geschichte der Gasturbine und Vor- und Nachteile dieser thematisiert WechselJetzt.de im Folgenden.
Was ist eine Gasturbine?
Eine Gasturbine ist eine Anlage, ähnlich wie ein Motor, welche heißes Gas für den Betrieb verwendet. Die Gasturbine wird auch als Wärmekraftmaschine bezeichnet. Die Maschine wandelt also heißes Gas in Bewegungsenergie um. Physikalisch gesehen ist die Gasturbine eine thermische Strömungsmaschine.
Die Hauptbestandteile einer Gasturbine sind ein Lufteintritt, ein Verdichter, ein Brennkammer-System, eine Turbine, und ein Abgasgehäuse mit Diffusor. Ein Lufteintritt dient der sauberen Luftzuführung, bei hohen Lufteintritts-Geschwindigkeiten gibt es zusätzlich einen Diffusor, der die Luftmassen abbremsen kann. Danach wird mit Hilfe eines Verdichters, einem Kompressor, der Luftmasse Druckenergie zugeführt. Zusätzlich gibt es noch die Brennkammer, in welcher flüssige und gasförmige Brennstoffe durch die heiße Luft entzündet und dann verbrannt werden. Die Luft wird dann kontinuierlich geleitet und gelangt so nach der Brennkammer in die Turbine. Bei Antriebskraftwerken wird diese kinetische Energie für Rückstoß genutzt. Da die Luft dort sehr heiß ist, werden die Turbinenblätter aufwändig gekühlt und bestehen aus “Superlegierungen”. Hinter der Turbine gibt es dann einen Austritt, der zum Druckausgleich dient. Wird die Gasturbine für andere Zwecke als den Rückstoß genutzt, wird hinter der Turbine noch eine Antriebswelle eingebaut, die die Energie an externe Komponenten weitergibt. Insgesamt sind auf der ganzen Welt deutlich mehr als 100.000 große Gasturbinen im Einsatz, ein Teil davon in Flugtriebwerken.
Die Gasturbine und die Energiewende
Um das Gas zu erhitzen, wird jedoch Brennstoff benötigt. Dieser ist größtenteils flüssig oder gasförmig, aber es gibt auch Varianten von Gasturbinen, die mit Festbrennstoffen funktionieren. Mögliche Brennstoffe sind zum Beispiel Erdgas, Kerosin, Heizöl, Dieselkraftstoff, oder auch Wasserstoff. Diese Brennstoffe sind jedoch meist fossile Energieträger. Heißt das, die Gasturbine ist keine nachhaltige Technologie für Stromerzeugung? Jein. Gasturbinen sind in Bereichen sinnvoll, zum Beispiel sind Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke sehr effizient. Diese verwenden die heißen Gase zum Betrieb der Turbine und zusätzlich zum Erhitzen eines Dampfkessels. Auch in Bereichen, so wie beispielsweise der Luftfahrt, ist es schwer, Alternativen zu finden. Wird die Gasturbine jedoch mit klimafreundlich hergestelltem Wasserstoff betrieben, ist das umso besser für die Umwelt.
Die Geschichte der Gasturbine
Die Gasturbine wurde erstmals im Jahr 1791 von dem Engländer John Barber patentiert. Jedoch war zu dieser Zeit die Erfindung noch nicht funktionsfähig, da die zur Verfügung stehenden Materialien nicht hitzebeständig genug waren. Etwa hundert Jahre später wurde die Idee parallel mit der Entwicklung der Dampfmaschine wieder aufgegriffen. Jedoch war trotz verbesserter Technologien die Erfindung noch nicht ausgereift. Der Wirkungsgrad lag gerade einmal bei 13 %, also ging viel Energie verloren. Ein weiterer Schritt in der Entwicklung fand nach dem Zweiten Weltkrieg statt. Das Potential der Gasturbine als Antriebsmaschine für Flugzeuge wurde entdeckt und so wurde diese ein wichtiger Antrieb für die Luftfahrt. Auch mit dem wachsenden Bewusstsein für die Umwelt wurde sie als Alternative zu Atom-, Öl- und Kohlekraftwerken interessant.
Vor- und Nachteile einer Gasturbine
Es gibt einige Nachteile bei der Nutzung einer Gasturbine. Zunächst ist der Wirkungsgrad oft nicht ideal, er liegt bei 40%, was bedeutet, dass viel Energie bei der Umwandlung in mechanische Energie verloren geht. Daher werden sie gerne mit Dampfturbinen kombiniert, in den sogenannten “Gas-Dampf-Kombikraftwerken”, wodurch der Wirkungsgrad auf über 50% erhöht werden kann. Auch der Betrieb ist nicht besonders umweltfreundlich, da oft fossile Brennstoffe verwendet werden. Diese sind oft problematisch im Abbau und erzeugen zusätzlich beim Verbrennen viel CO2.
Allerdings haben Gasturbinen ein sehr niedriges Leistungsgewicht, das heißt, sie erbringen viel Leistung, haben aber ein geringes Gewicht. Daher sind sie sehr gut für die Luftfahrt geeignet. Auch als Teil von einem Kraftwerk können sie durchaus gut funktionieren, dafür wurden sehr leistungsfähige Gasturbinen entwickelt, die bis zu 571 MW Leistung haben. Außerdem sind Gasturbinen sehr schnell einsatzbereit und daher in ihrer Verwendung flexibel. Das bietet Sicherheit bei Schwankungen im Stromnetz, welche wiederum bei erneuerbaren Energien aufkommen können. Eine Möglichkeit ist daher eine symbiotische Ergänzung der erneuerbaren Energien mit Gasturbinenkraftwerken.
Verwendungszwecke der Gasturbine
Ein Haupteinsatzgebiet für die Gasturbine ist die Luftfahrt. Besonders aufgrund ihres Masse/Leistungsverhältnisses im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren wird die Gasturbine hier bevorzugt. Zusätzlich ist die mögliche Nutzung des Rückstoßantriebes für Flugzeuge ideal. Stationäre Gasturbinen werden zur Stromerzeugung und zum mechanischen Antrieb verwendet. Stromerzeugung findet dann in Gasturbinenkraftwerken statt. Diese können auf kleinem Maßstab viele Menschen versorgen, ein Gasturbinenkraftwerk in der Größe eines LKW-Anhängers kann eine Stadt mit 300.000 Einwohnern mit Strom beliefern. Eine weitere Möglichkeit sind Gas- und Dampf-Kombikraftwerke. In beiden wird beispielsweise mit einem Turbogenerator die Energie nutzbar gemacht. Mechanischer Antrieb kommt zum Beispiel bei Öl- oder Erdgaspipelines zum Einsatz.
Fazit: Die Gasturbine
Die Gasturbine ist also eine Technologie, die zu einem großen Teil auf fossilen Brennstoffen basiert, jedoch hat sie einige Vorteile, durch welche sie auch für die Energiewende interessant werden kann. Auch in einigen Bereichen, wie beispielsweise in der Luftfahrt, ist die Gasturbine einfach ein elementarer Bestandteil. Hier müssen erneuerbare Energien noch weiter entwickelt werden, um eine effektive Alternative zu finden.
