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"Graz-Cycle" und "Substitute Natural Gas"
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Neue Technologien für eine nachhaltige Strom- und Wärmeerzeugung#

Von


Jürgen Karl, Franz Heitmeir

Institut für Wärmetechnik und das Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik


Jürgen Karl
Jürgen Karl


Franz Heitmeir
Franz Heitmeir
© Forschungsjournal 2009/01

Jürgen Karl promovierte und habilitierte an der TU München. Schwerpunkte seiner Arbeit sind die energetische Nutzung von Biomasse, Brennstoffzellen und die CO2-freie Stromerzeugung aus Kohle. Seit 2007 ist er Vorstand am Institut für Wärmetechnik.


Franz Heitmeir arbeitete von 1987 – 2001 bei MTU Aero Engines in München in den Bereichen Forschung, Entwicklung, Versuch und Marketing. Zuletzt war er Programm und Entwicklungsleiter für die Triebwerke RB 199 (Tornado Kampfflugzeug) und MTR 390 (Tiger Hubschrauber). Seit 2001 ist er Vorstand des Instituts für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik und ist Partner in zahlreichen EU-Projekten zur Triebwerksforschung.



Das Institut für Wärmetechnik und das Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik untersuchen die CO2-freie Stromerzeugung aus Kohle sowie neue Methoden für eine effiziente Nutzung von regenerativen Energien. Mit innovativen Verfahren wie dem "Graz-Cycle" und der Erzeugung von "Substitute Natural Gas" aus Biomasse werden an diesen beiden TU Graz-Instituten Schlüsseltechnologien für eine klimaverträgliche Strom- und Wärmeerzeugung in dezentralen Kleinanlagen und in innovativen Großkraftwerken entwickelt.


Die Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung und Energieeinsparung mithilfe konventioneller Verfahren sind begrenzt. Nichtsdestotrotz steigt der weltweite Energiebedarf dramatisch. Zum Einsatz kommen dennoch weiterhin konventionelle Technologien für die Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung, vor allem mit fossilen Energieträgern wie Kohle, Öl und Erdgas. Das bedeutet: CO2-Emissionen werden weiterhin steigen, fossile Ressourcen werden immer knapper. Politische und militärische Konflikte sind dadurch vorprogrammiert.


Doch eine Minderung von Treibhausgasemissionen und politischen Abhängigkeiten kann nur durch den Einsatz neuer Technologien für die Energiewirtschaft Wirklichkeit werden. Das Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik und das Institut für Wärmetechnik setzen dabei vor allem auf zwei Alternativen: Erstens auf die Entwicklung neuer Verfahren für die dezentrale Nutzung erneuerbarer Energien und zweitens auf die Erforschung innovativer Methoden für die CO2-freie Nutzung von Kohle. Dezentrale Verfahren für die Strom- und Wärmeversorgung stützen die regionale Wertschöpfung und sind notwendige Voraussetzungen für den Einsatz erneuerbarer Energien. Sonne, Wind und Biomasse fallen mit geringer Energiedichte dezentral an und erfordern daher kleinskalige Technologien.

Allothermer Labor
Abb. 1: Allothermer Labor - Vergaser für die Erzeugung biogener Synthesegase am Institut für Wärmetechnik
© Forschungsjournal 2009/01


Neben den langjährigen Forschungsschwerpunkten in den Bereichen "Haustechnik und Gebäudeoptimierung" sowie "Klimatechnik" steht am Institut für Wärmetechnik vor allem die effiziente Nutzung von Biomasse im Vordergrund. Eine Schlüsseltechnologie ist hier die thermische Vergasung.

Bei der so genannten allothermen Vergasung entstehen hochwertige Synthesegase, die sich nach einer geeigneten Brenngasaufbereitung effizient in Brennstoffzellen oder für nachgeschaltete Synthesen nutzen lassen. Mit der Einrichtung eines Brennstoffzellenlabors werden derzeit Grundlagen für Langzeituntersuchungen zur Umsetzung biogener Gase in SOFC-Brennstoffzellen gelegt. Ideale Synergien ergeben sich dabei auch für ein weiteres Forschungsfeld des Instituts, die Erzeugung von synthetischem Erdgas (so genanntem Substitute Natural Gas, SNG) aus Biomasse. Bei der Methanierung von Holz kommen, wie in SOFC-Brennstoffzellen, nickelbasierte Katalysatoren zum Einsatz, die ähnliche Anforderungen an Gasreinigung und Versuchsausstattung stellen.


Wirbelschichtverbrennungsanlage
Abb. 2: Wirbelschichtverbrennungsanlage für die CO2-freie Stromerzeugung
© Forschungsjournal 2009/01
Neben dezentralen Technologien werden in der Energiewirtschaft weiterhin auch große zentrale Kraftwerkseinheiten eingesetzt. Kohle ist weltweit ohne Beschränkung auf regionale Krisenherde nach wie vor vorrätig und wird auch in Zukunft in großen Mengen verwendet werden. Umso wichtiger ist es daher, innovative Methoden für die CO2-freie Verstromung von Kohle verfügbar zu machen. Eines der international am meisten zitierten Konzepte hierfür ist der am Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik entwickelte "Graz-Cycle".


Der "Graz-Cycle" kombiniert die Wirkungsgradvorteile hocheffizienter GUD-Prozesse mit der so genannten "Oxyfuel"-Verbrennung. Durch die Verbrennung eines aus Kohle erzeugten Brenngases mit reinem Sauerstoff entsteht ein CO2-Wasserdampf-Gemisch, aus dem der Wasserdampfanteil durch Kondensation einfach abgetrennt werden kann. Übrig bleibt reines CO2, für dessen Endlagerung heute eine Vielzahl nachhaltiger Konzepte erprobt werden. Das Kernproblem der Sauerstoffverbrennung – die hohen Verbrennungstemperaturen – löst der "Graz-Cycle" durch eine besonders intelligente Rezirkulation des Arbeitsmediums bestehend aus CO2 und Wasserdampf. Dieses neuartige Arbeitsmedium verlangt allerdings die Entwicklung neuer Turbinen und Kompressoren für den "Graz-Cycle".


Hochtemperaturturbine
Abb. 3: Hochtemperaturturbine des "Graz-Cycle"
© Forschungsjournal 2009/01

CFD-Ergebnis Hochtemperaturturbine
Abb. 4: CFD-Ergebnis für die erste Stufe der Hochtemperaturturbine
© Forschungsjournal 2009/01

Abbildung 3 zeigt den Entwurf der Hochtemperaturturbine, die mit dem Arbeitsmedium von 40 bar und 1400°C beaufschlagt wird. Die roten Pfeile zeigen die Kühldampfströme. Diese Entwicklungen werden durch ein weiteres Arbeitsgebiet des Institutes, der CFD-Modellierung von Strömungen in thermischen Turbomaschinen, unterstützt. Abbildung 4 zeigt Druckverlauf und Stromlinien für die erste Stufe der Hochtemperaturturbine.


Die Sauerstoffverbrennung in Kohlestaub- und Wirbelschichtfeuerungen wird auch am Institut für Wärmetechnik in enger Kooperation mit dem Industriepartner Austrian Energy & Environment bearbeitet. Daneben ist auch die Methanierung eine vielversprechende Option für eine CO2-freie Nutzung von Kohle. Im Sommer 2009 startet dazu das vom Institut für Wärmetechnik koordinierte EU-Projekt mit dem Titel "CO2freeSNG".