Hochtemperatur-Drucksensoren: Ist das der Weg zu sauberer Energie?

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Brennstoffvariable, hocheffiziente und emissionsarme Gasturbinen sollen künftig im Energiemix die Versorgung für Stadtwerke und Industrieanwendungen sicherstellen. Was Messtechnik mit deren Entwicklung als auch Betrieb zu tun hat, lesen Sie hier.

Hochtemperatur-Drucksensoren: Der Wandel hin zu einer möglichst effizienten und umweltschonenden Energieversorgung ist eine der großen Menschheitsaufgaben des 21. Jahrhunderts: Ressourcen müssen erschlossen und Emissionen reduziert werden, und das bei stetig wachsendem Energiebedarf.

Energiemix durch Betrieb von Gasturbinen

Dabei spielen Gasturbinen eine wichtige Rolle: Insbesondere da, wo neben Strom auch Wärme benötigt wird – etwa für Stadtwerke oder in der Industrie – stellen sie die ideale Lösung dar. Zudem können Sie zukünftig mehr und mehr mit Wasserstoff statt Erdgas betrieben werden, was ihre Umweltbilanz weiter verbessert und in den angestrebten Energiemix passt.

Bei MAN Energy Solutions (MAN ES) in Oberhausen werden solche Gasturbinen entwickelt und gebaut. Der hier angesiedelte Unternehmensbereich Turbomaschinen ging hervor aus der GHH („Gute Hoffnungshütte“), die zeitweilig der größte Konzern für Maschinen- und Anlagenbau in Europa war und deren Anfänge in der Eisenverhüttung zurückreichen bis in das Jahr 1758. Heute sind rund 1.800 Mitarbeiter in Oberhausen tätig in den Kompetenzbereichen Gasturbinenentwicklung und -herstellung sowie im Service.

Einer von ihnen ist Dr. Bernhard Ćosić, der als Teamleiter Gasturbinenverbrennung maßgeblich an der Entwicklung der MGT6000-Reihe sowie der neuen MGT8000-Serie beteiligt war. Unter anderem führt sein Team Tests an den Turbinen durch. Vor Ort in Oberhausen kann MAN ES komplette Stränge aus Gasturbine und Verdichter testen – der Einsatz als Antriebsmaschine für Verdichter (zum Beispiel an Gaspipelines) stellt ein weiteres wichtiges Applikationsfeld der Gasturbine dar.

Sensorik überwacht Verbrennungsprozess

Dr. Ćosić beschreibt die Marktentwicklung wie folgt: „Mit unseren Gasturbinen mit einer elektrischen Leistung zwischen sechs und zwölf Megawatt stellen wir eine im Vergleich mit Diesel-, Kohle- und Schweröl-Kraftwerken viel nachhaltigere Lösung zur Strom- und Wärmeerzeugung bereit. Insbesondere da, wo neben Strom auch Hochtemperaturwärme benötigt wird – zum Beispiel bei der Papierherstellung oder in der Lebensmittelindustrie – erreicht die Gasturbine hohe Wirkungsgrade und ist sehr effizient. Man kann sie aber auch zur dezentralen Stromerzeugung nutzen, gerade in schwer zugänglichen Gegenden, da der Aufwand für die Inbetriebnahme gegenüber einem Großmotor um ein Vielfaches geringer ist.“

Um den Verbrennungsprozess zu überwachen und weitere Vorteile wie Brennstoffflexibilität und Echtzeitüberwachung zu realisieren, holte MAN ES den Messtechnik-Anbieter Kistler als Entwicklungspartner mit ins Boot.

Hochtemperatur-Drucksensoren liefern aufschlussreiche Daten

Eines der Ergebnisse ist, dass die piezoelektrischen Hochtemperatur-Drucksensoren vom Typ 6021A von Kistler heute direkt mit der Steuerung der Gasturbine verbunden sind und im Dauerbetrieb laufend Daten zum Verbrennungsprozess liefern. Dank ihrer sehr hohen Temperaturbeständigkeit konnten die Ingenieure die kompakten Sensoren nah an die Flamme heranbringen und erhalten so genaue und aufschlussreiche Daten. Diese stehen dem Turbinenhersteller und seinen Kunden 24/7 über die MAN-Cloud Ceon zur Verfügung und schaffen so die Voraussetzung für Condition Monitoring und Predictive Maintenance.

Auch bei der Steuerung und Überwachung des Verbrennungsprozesses spielen die Sensoren von Kistler eine große Rolle. Neben der Reduktion von Emissionen steht hier vor allem die Flexibilität bezüglich des Brennstoffs im Vordergrund: So ist die MGT6000-Serie Dual-Fuel-fähig, das heißt sie kann auch mit Flüssigbrennstoff wie Diesel betrieben werden für den Fall, dass gerade kein Erdgas zur Verfügung steht. Auch Schiefergase und häufig als Abfallprodukt anfallende Brenngase mit hohen Inertgasanteilen wie Stickstoff oder Kohlenmonoxid, die noch Restenergie besitzen, können, wie Ćosić betont, genutzt werden: „Die Prozesse in den Brennkammern werden von uns so optimiert, dass auch bei einem Wechsel des Brennstoffs keine Instabilitäten auftreten – dabei helfen uns die Live-Daten der Sensoren von Kistler.“

Wasserstoff – Brennstoff der Zukunft

In Kooperation mit MAN ES hat Kistler eine maßgeschneiderte Elektronikeinheit – die Signal Conditioning Unit – entwickelt, die die gesamte Messkette vereinfacht und wesentlich zur Kostenoptimierung beiträgt. „Während der ganzen Zeit hat uns das Team von Marco Gnielka tatkräftig unterstützt, sodass wir eine für uns optimale Lösung gefunden haben“, erklärt Ćosić. „Die initialen Herausforderungen wurden schnell gelöst und mit Christian Heer hatte ich einen fachlich sehr versierten Ansprechpartner bei Kistler – wir sprechen dieselbe Sprache, auch wenn wir als Ingenieure von verschiedenen Seiten kommen, so dass schnell eine vertrauensvolle Zusammenarbeit entstanden ist.“

Der nächste Schritt in der Weiterentwicklung der Gasturbine ist die Fähigkeit, variable Gasgemische bis hin zu 100 Prozent Wasserstoff zu beherrschen – verspricht dieser doch eine noch sauberere Verbrennung mit CO2-Emissionen, die gegen Null gehen. Im Herbst 2020 ist die erste MGT8000 in Betrieb gegangen – in Sterkrade, einem Stadtteil von Oberhausen und im Dienst der lokalen Stadtwerke EVO.

„Die neue, hochmoderne Gasturbine kann bereits jetzt mit einem Wasserstoffanteil von 20 Prozent betrieben werden. Kurzfristig kann dieser Anteil auf 50 erhöht werden. Mittelfristig sind sogar 100 Prozent möglich“, erläutert Ćosić. „Wasserstoff ist hochreaktiv und verändert deshalb die Charakteristik der Verbrennung – die Flamme brennt sozusagen schneller, so dass man das System neu einstellen und optimieren muss, wenn sich der Wasserstoffanteil am Gasgemisch stark erhöht. An den Eckdaten wie Leistung und Wirkungsgrad ändert sich aber nichts, sie können unsere Turbinen weiter nutzen.“

Optimierung der Prozesse durch Hochtemperatur-Drucksensoren

Bei einer Lebensdauer von Gasturbinen von 15 Jahren und mehr ist Investitionssicherheit ein wichtiges Kriterium. Wenn zukünftig mehr und mehr Wasserstoff ins Erdgasnetz eingespeist wird oder sogar neue, reine Wasserstoffsysteme entstehen, wird auch die Messtechnik von Kistler ihren Teil zur Zukunftsfähigkeit der Gasturbinen von MAN ES beitragen – sowohl was die Optimierung der Verbrennungsprozesse als auch Wartung und Überwachung angeht.

Ćosić resümiert: „Mit Kistler haben wir einen Partner für die Hochtemperatur-Drucksensoren an der Hand, der sehr verlässlich und in der Lage ist, unser globales Geschäft zu unterstützen – zum Beispiel, wenn wir in China Personal schulen wollen, der aber auch flexibel genug ist, um individuell und persönlich zu betreuen und zu entwickeln. Damit sind wir für das durch den nötigen Kohle- und Ölausstieg zu erwartende Wachstum in den kommenden Jahren und Jahrzehnten sehr gut aufgestellt.“

Die Autorin Suzanne Graeser Bieri ist Head of Marketing bei Kistler.

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