Gasmotor- und Gasturbinentechnologien: Ein Überblick
Zwei Technologien zur Stromerzeugung im Vergleich
In dem sich ständig weiterentwickelnden Bereich Energieerzeugung zeichnen sich zwei dezentrale Technologien durch besondere Effizienz und Zuverlässigkeit aus: Gasmotoren und Gasturbinen. Mit beiden kann die Abhängigkeit von Stromübertragung und -verteilung über große Entfernungen verringert werden. Dabei hat jede der beiden Technologien ihre spezifischen Stärken und Anwendungsgebiete. Wer die wesentlichen Unterschiede kennt, kann fundierte Entscheidungen über dezentrale Energieerzeugungstechnologien treffen.
Gasmotorentechnologie
Diese Verbrennungsmotoren erzeugen aus gasförmigen Kraftstoffen Strom. Eingesetzt werden sie vielfach in Kraftwerken, Industrieanlagen und anderen Bereichen, die eine zuverlässige Stromerzeugung vor Ort benötigen.
Was umfasst ein typisches motorenbetriebenes Gaskraftwerk?
- Gasmotor: Das Herzstück des Generatorsatzes (Genset) arbeitet nach dem Prinzip der internen Verbrennung. Dabei wird entweder ein Gas-Luft-Gemisch gezündet oder der Kraftstoff gelangt über ein Direkteinspritzsystem in die Zylinder, um mechanische Energie zu erzeugen.
- Generator: Der Generator (oder Wechselstromgenerator) ist mit dem Motor verbunden und wandelt die vom Motor erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie um. Er besteht aus einem sich drehenden Rotor innerhalb eines Stators, der ein elektromagnetisches Feld aufbaut und dadurch Strom erzeugt.
- Steuerungssystem: Die Steuerungseinheit überwacht und steuert gemeinsam mit der zugehörigen Software den Generatorbetrieb. Damit ermöglicht es einen sicheren, effizienten und zuverlässigen Betrieb – vom Starten und Stoppen über die Regelung der Ausgangsspannung bis hin zum Schutz des Generators vor Überlast und anderen Störungen.
- Wärmetauscher: Die Nutzung der bei der Stromerzeugung entstehenden Abwärme führt zu einer deutlichen Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads des Systems. Dabei kann die sonst ungenutzte Wärme für Heizzwecke, Fernwärme, industrielle Prozesse oder sogar zur Kühlung (über externe Absorptionskältemaschinen) verwendet werden.
- Zusatzausrüstung: Dazu zählen unter anderem Kühl-, Abgas-, Kraftstoff- und Startsysteme.
Die Zusammenarbeit der einzelnen Komponenten ermöglicht einen effizienten und zuverlässigen Anlagenbetrieb – und eine gleichmäßige Versorgung mit Strom, und bei Bedarf auch Wärme.
Wie funktioniert ein Gasmotor?
Der Prozess beginnt mit der Ansaugung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs (aus Erdgas, Biogas oder anderen gasförmigen Brennstoffen) in den Brennraum des Motors. Dort wird das Gemisch durch einen Kolben verdichtet und von einer Zündkerze entzündet. Die dabei entstehende Explosion treibt den Kolben nach unten, versetzt die Kurbelwelle in Bewegung und erzeugt dadurch mechanische Energie. Anschließend wird diese von einem Wechselstromgenerator in elektrische Energie umgewandelt. Spezielle Motorversionen nutzen auch die Direkteinspritzung, um sowohl die Verbrennung von Kraftstoffen wie Wasserstoff als auch das Einschwingverhalten des Motors zu verbessern.
Die INNIO Group bietet eine breite Palette an Gasmotorenlösungen, die auf hervorragende Effizienz, Zuverlässigkeit und Flexibilität ausgelegt sind. Diese Motoren können für eine Vielzahl an Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK).
Gasturbinen-Technologie
Ein Standard-Gasturbinenkraftwerk hat einen ähnlichen Anwendungsbereich wie ein Gasmotorenkraftwerk. Dabei wandelt die Gasturbinenanlage die bei der Gasverbrennung freigesetzte Energie in mechanische Energie zum Antrieb einer Gasturbine um. Aufgrund ihrer Effizienz, Flexibilität und Zuverlässigkeit ist diese Technologie in Kraftwerken und in der Industrie weit verbreitet.
Wie funktioniert eine Gasturbine?
- Luftansaugung: Der Prozess beginnt mit dem Ansaugen von Luft, die normalerweise mit einem Zentrifugal- oder Axialkompressor verdichtet wird.
- Kraftstoffverbrennung: Die komprimierte Luft wird in einer Brennkammer mit einem Kraftstoff – in der Regel Erdgas oder Diesel – vermischt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird gezündet und erzeugt ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck.
- Stromerzeugung: Das unter hohem Druck stehende Gas wird auf die Turbinenschaufeln geleitet, die dadurch in Rotation versetzt werden. Die rotierende Turbine ist mit einem Generator verbunden, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
- Wärmerückgewinnung: Die Abwärme der Turbine kann in Wärmetauschern genutzt werden, um Warmwasser oder Dampf für verschiedene Anwendungen zu erzeugen. Dieser Prozess wird als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. In Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GuD) wird die Abgaswärme zur Erzeugung von Dampf genutzt, der dann eine Dampfturbine antreibt, um zusätzlichen Strom zu erzeugen. Diese Prozesse verbessern den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks erheblich.
Vergleichstabelle Gasmotor und Gasturbine
| Parameter | Gasengine | Gasturbine |
| Elektrischer Wirkungsgrad (einfacher Zyklus) | 39 – 49% | 30 – 42% |
| Elektrischer Wirkungsgrad (kombinierter Zyklus) | K.A. | 50 – 63% |
| Gesamtwirkungsgrad (elektrisch + thermisch) | 80 – 95% | 75 – 85% |
| Verfügbare Abgaswärme | 400 – 500°C | 450 – 650°C |
| Erforderlicher Gasdruck | < 500mbar - 12bar | 20bar - 50bar+ |
| Anlaufzeit | 45 Sek. – 5 Min. | 5 – 10 Min.; 30 – 60 Min. (CGT) |
| Startbeschränkungen | nicht beschränkt | 1-stündiges Betriebsfenster erforderlich |
| Zeit bis zur Lastannahme | < 15 Sek. | > 2 Min. bis zur Synchronisation |
| Grundfläche | + | + |
| Mobilität | ++ | ++ |
| Wartungsintervall | 60.000 – 80.000 oph | 100.000 – 150.000 oph |
| CAPEX | +++ | +++ (einfacher Zyklus); ++ (kombinierter Zyklus) |
| OPEX | ++ | + (einfacher Zyklus); +++ (kombinierter Zyklus) |
| COD | Mehrere Wochen | Mehrere Monate |
| Flexibilität hinsichtlich Umgebungstemperatur und Höhe | +++ | O |
Auswahl der richtigen Stromerzeugungstechnologie
Für welche Technologie Sie sich letztendlich entscheiden – Gasmotor oder Gasturbine –, hängt von den spezifischen Anforderungen Ihres Energieerzeugungsprojekts ab. Denn beide Systeme haben ihre Stärken und Schwächen. Deshalb braucht es eine gründliche Analyse, um die beste Lösung für Ihre Anforderungen zu finden. Nutzen Sie die obige Tabelle und berücksichtigen Sie bei Ihrer Entscheidung die folgenden Faktoren:
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Wirkungsgrad
Während in Kombianwendungen Gasturbinen höhere Wirkungsgrade erreichen können als Gasmotoren, bieten in einfachen Anwendungen Gasmotoren einen höheren elektrischen Wirkungsgrad. Da Gas- und Dampfturbinenkonzepte (GuD-Anlagen) in der Regel längere Anlaufzeiten benötigen, eignen sie sich besonders für den kontinuierlichen Grundlastbetrieb. Gasmotoren hingegen haben bei Teillast meist einen höheren Wirkungsgrad, deshalb sind sie eine gute Wahl für Anwendungen mit schwankendem Lastprofil oder für Spitzenlastkraftwerke, die schnell hoch- und heruntergefahren werden müssen. Da Anlagen mit mehreren Gasmotoren durch die Zu- oder Abschaltung einzelner Module flexibel betrieben werden können, bleibt ihr Wirkungsgrad über einen sehr großen Lastbereich fast so hoch wie bei Volllast.
Quelle: INNIO Group
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Flexibilität
Gasmotoren lassen sich schnell starten und stoppen und können ihre Leistung rasch anpassen. Damit eignen sie sich besonders gut für Anwendungen, die hohe Flexibilität erfordern, etwa zur Netzstabilisierung oder zum Ausgleich erneuerbarer Energien. Gasturbinen, insbesondere größere Einheiten und GuD-Anlagen, benötigen dagegen deutlich längere Start- und Wiederanfahrzeiten.
Quelle: INNIO Group
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Kraftstofftyp
Gasmotoren bieten eine größere Kraftstoffflexibilität und können mit einer Vielzahl an gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden. Dabei variieren die spezifischen Anforderungen an die Aufbereitung des Kraftstoffs.
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Größe und Skalierbarkeit
Gasturbinen gibt es in unterschiedlichen Größen – von kleinen Mikroturbinen bis hin zu großen Industrieanlagen. Dadurch eignen sie sich für ein breites Anwendungsspektrum, von dezentraler Stromerzeugung bis hin zu großen zentralen Kraftwerken. Obwohl Gasmotoren in der Regel in kleinen und mittelgroßen Stromerzeugungsanlagen eingesetzt werden, können sie dank ihrer Modularität leicht skaliert werden und eignen sich damit auch für größere zentrale Kraftwerksanwendungen.
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Gasdruck
Gasturbinen reagieren meist empfindlicher auf Schwankungen im Gasdruck. Ein zu niedriger Druck kann den Verbrennungsprozess beeinträchtigen und den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine verringern. Gasmotoren hingegen arbeiten in der Regel auch über größere Gasdruckänderungen hinweg zuverlässig. Zudem benötigen Gasturbinen generell einen höheren Absolutdruck . An Standorten mit niedrigem Gasdruck (z. B. im Verteilnetz) müssen daher häufig zusätzlich Gasverdichter eingesetzt werden, die den Eigenverbrauch (parasitäre Last) der Gasturbine deutlich erhöht.
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CAPEX und OPEX
Gasmotoren erfordern in der Regel geringere Investitionen als Gasturbinen. Zwar müssen sie häufiger gewartet werden als Gasturbinen, doch sind diese Arbeiten einfacher, kostengünstiger und mit kürzeren Stillstandszeiten verbunden. Für Gasturbinen sind hingegen höhere Anfangsinvestitionen nötig. Die Wartungsintervalle sind zwar länger, allerdings sind die Wartungsarbeiten oft komplexer und teurer und mit längeren Stillstandszeiten verbunden. Bei ordnungsgemäßer Wartung können beide Technologien eine ähnlich lange Lebensdauer erreichen.
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Auswirkungen auf die Umwelt
Sowohl Gasmotoren als auch Gasturbinen haben in der Regel niedrige Emissionswerte. Eine weitere Dekarbonisierung ist jedoch mit zusätzlichen Emissionskontrolltechnologien wie SCR-Systemen oder durch die Verwendung von kohlenstoffneutralen Kraftstoffen wie grünem Wasserstoff möglich.
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Empfindlichkeit gegenüber Höhenlagen
Mit zunehmender Höhe wird die Luft weniger dicht, was die Leistung und den Wirkungsgrad beider Technologien verringern kann. Allerdings sind Gasturbinen in der Regel stärker von Höhenveränderungen betroffen als Gasmotoren. Dank zweistufiger Turboaufladung können Gasmotoren auch in größeren Höhen eine stabile Leistung erbringen, während dies für die Turbinentechnologie eine Herausforderung darstellt.
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Umgebungstemperatur
Zwar führen hohe Umgebungstemperaturen bei beiden Technologien zu einer geringeren Ansaugluftdichte und damit zu einem Leistungsabfall. Da Gasturbinen zur Verbrennung große Luftmengen ansaugen, wirkt sich die Temperatur direkt auf die Luftdichte und somit auf die Leistung aus. Mithilfe von Steuersystemen können das Kraftstoff-Luft-Gemisch und der Zündzeitpunkt weiter verbessert werden, um diese Veränderungen auszugleichen und die Leistung zu erhalten. Die Leistungsdaten von Gasturbinen werden in der Regel nach ISO-Normen bei 15 °C Umgebungstemperatur angegeben, und die Gasturbinentechnologie spezifiziert die Leistungsabgabe nach ISO-Norm bei 25 °C. Gasmotoren mit zweistufiger Turboaufladung hingegen können auch bei Umgebungstemperaturen von weit über 45 °C unter Volllast betrieben werden. Bereits einfache Anpassungen des Turboladers können die Leistung von Gasmotoren bei hohen Umgebungstemperaturen verbessern. Gasturbinen hingegen benötigen eine aktive Kühlung des Lufteinlasses, die zusätzliche Kosten verursacht und außerdem wertvolle Ressourcen wie Wasser verbraucht.
Die Jenbacher Lösung
Jenbacher 50-MW-Kraftwerk
Vorteile der Jenbacher Motortechnologie:
- Wirkungsgrad: Gasmotoren können hohe Wirkungsgrade erreichen, insbesondere in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), bei hohen Umgebungstemperaturen und in großen Höhen.
- Flexibilität: Da Gasmotoren schnell gestartet und gestoppt werden können, ermöglichen sie ein effizientes Reagieren auf Änderungen des Energiebedarfs. Zudem können sie bei Bedarf im Teillastbetrieb arbeiten und sind in ihrer Größe skalierbar.
- Umweltauswirkungen: Gasmotoren können mit einer Vielzahl an Energieträgern betrieben werden, einschließlich erneuerbarer Kraftstoffe wie Biogas, industrielle Nebenprodukte und sogar bis zu 100% Wasserstoff.
- Modulare Lösungen: Der modulare Aufbau und die hohe Zuverlässigkeit der Motoren tragen zu einer hohen Verfügbarkeit und einem reduzierten Wartungsaufwand des Kraftwerks bei.
- Fortschrittliche digitale Lösungen: Die KI-gestützte myplant Plattform für Fernüberwachung und vorausschauende Analysen trägt zu Leistungs- und Effizienzsteigerungen von Gasmotorenflotten bei.
- Unterstützung der Energiewende: Mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien und dezentraler Stromerzeugungslösungen übernehmen Gasmotoren eine zentrale Rolle in der Energiewende. Denn mit ihrer flexiblen, effizienten und zuverlässigen Einspeisung ergänzen sie die schwankenden erneuerbaren Energien und unterstützen damit die Stabilität des Stromnetzes.
Mit mehr als 13.000 weltweit ausgelieferten Jenbacher Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen/Blockheizkraftwerken ist die INNIO Group ein globaler Technologieführer im Bereich der motorenbasierten Stromerzeugung. Unsere Jenbacher Expert:innen helfen Ihnen dabei, herauszufinden, ob Gasmotoren die richtige Wahl für Ihr Energieerzeugungsprojekt sind. Auf Basis unserer langjährigen Erfahrung analysieren wir die Kosten und Vorteile Ihres Projekts, um die beste Lösung für Ihre spezifischen Anforderungen zu finden.
Eine Jenbacher Kraft-Wärme-Kopplungsanlage/ein Jenbacher Blockheizkraftwerk besteht aus einer Stromerzeugungseinheit mit Motor und Generator sowie Wärmetauschern zur Nutzung der Verbrennungswärme. Dabei werden sämtliche Wärmequellen wie Motorkühlwasser, Schmieröl, Luft-/Brenngasgemisch und das Abgas genutzt. Es können Wassertemperaturen von 100 °C und mehr erreicht werden, was die Jenbacher KWK- und KWKK-Lösungen äußerst flexibel einsetzbar macht.
Unsere Expert:innen stehen für Sie bereit.
Unabhängig davon, ob Ihr Unternehmen nach dezentralen Stromversorgungslösungen, Zugang zu Elektrizität, geringeren Energiekosten, Stromeigenerzeugung oder Möglichkeiten zur Stromeinspeisung ins lokale Netz sucht, können die regionalen Expert:innen von Jenbacher Sie hinsichtlich der sinnvollsten Lösung beraten.
Kontaktieren Sie uns für eine kostenlose Beratung zu folgenden Themen:
- Die Vorteile der dezentralen Stromerzeugung für Ihr Unternehmen
- Technische Projektierung - Brennstofftypen, Machbarkeitsstudien, Ausrüstung, Anlagenbau und mehr
- Aufzeigen von Förderungsmöglichkeiten für Ihr Projekt
- Optionen für die Durchführung Ihres Projekts: Kauf, Finanzierung und Leasing, Kooperation mit Contracting - Dienstleistern
- Wie Sie Emissionsziele erreichen
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