Die Turbineneinlassluftkühlung (englisch Turbine inlet air cooling) ist eine Gruppe von Technologien, um die Ansaugluft von Gasturbinen zu kühlen. Eine direkte Folge ist eine Leistungssteigerung der Turbine. Auch der Wirkungsgrad des Systems wird damit gesteigert. Diese Technologie wird besonders in heißen Klimazonen, in denen die Spitzenlast mit hohen Umgebungstemperaturen zusammenfällt, verwendet.

Funktionsweise

Gasturbinen saugen gefilterte Umgebungsluft an und verdichten sie im Verdichter. Hierdurch wird die Luft erwärmt, anschließend mit dem Brennstoff vermischt und dann gezündet. Der entstandene Abgasstrom hat einen hohen Druck und eine hohe Temperatur. Er trifft auf die Turbinenschaufeln und erzeugt Bewegungsenergie. Ein Teil der Energie wird für den Betrieb des Verdichters benötigt, ist also Eigenbedarf. Der weitere Teil wird meist mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Teilweise werden auch Erdgasverdichterstationen für Pipelines oder die Produktion von LNG betrieben.

Der Verdichter muss für den Verbrennungsprozess den Luftmassenstrom zur Verfügung stellen. Da das Volumen einer Gasturbine konstant ist, ist auch der Luftvolumenstrom bei einer konstanten Turbinendrehzahl konstant. Die Turbinendrehzahl ist aufgrund der Fliehkräfte und der Materialien begrenzt bzw. durch das Stromnetz (50 Hz entspricht 3000 Umdrehungen pro Minute) festgelegt. Somit kann der Luftmassenstrom nur noch über die Luftdichte erhöht werden.

${\displaystyle {m}={\rho }{V}}$

${\displaystyle m}$ ist die Masse, ${\displaystyle \rho }$ die Dichte und ${\displaystyle {V}}$ das Volumen. Das Volumen ${\displaystyle {V}}$ ist bei einer bestimmten Turbine gegeben. Also kann nur die Dichte ${\displaystyle \rho }$ der Luft verändert werden, um den Massenstrom zu variieren. Die Luftdichte ist von der relativen Luftfeuchtigkeit, dem Luftdruck, dem Druckverlust und der Temperatur abhängig.

${\displaystyle \rho _{\,\mathrm {humid~air} }={\frac {p_{d}}{R_{d}T}}+{\frac {p_{v}}{R_{v}T}}={\frac {p_{d}M_{d}+p_{v}M_{v}}{RT}}\,}$

Hierbei steht:

${\displaystyle \rho _{\,\mathrm {humid~air} }=}$ Dicht der feuchten Luft (kg/m³)

${\displaystyle p_{d}=}$ Partialdruck trockene Luft (Pa)

${\displaystyle R_{d}=}$ Spezifische Gaskonstante für trockene Luft, 287,058 J/(kg·K)

${\displaystyle T=}$ Temperatur (K)

${\displaystyle p_{v}=}$ Druck von Wasserdampf (Pa)

${\displaystyle R_{v}=}$ Spezifische Gaskonstante für Wasserdampf, 461,495 J/(kg·K)

${\displaystyle M_{d}=}$ Molare Masse für trockene Luft, 0,028964 (kg/mol)

${\displaystyle M_{v}=}$ Molare Masse für Wasserdampf, 0,018016 (kg/mol)

${\displaystyle R=}$ Universale Gaskonstante, 8,314 J/(K·mol)

Die Leistung einer Gasturbine, ihr Wirkungsgrad und die erzeugte Stromleistung hängen stark von den klimatischen Bedingungen ab. Teilweise sinkt die Ausgangsleistung um bis zu 40 Prozent. Um die Turbine bei ISO-Bedingungen (15 °C, 60 % relativer Luftfeuchtigkeit und Betrieb auf Meereshöhe) zu betreiben und die Leistung wiederherzustellen, wurden mehrere Einlasskühlsysteme entwickelt.

Verbreitete Technologien

Aktuell sind verschiedene Technologien am Markt verfügbar. Jede Technologie hat Vor- und Nachteile, wie notwendige Umgebungsbedingungen, Investitionskosten, Amortisationszeit und Leistungssteigerung.

Vorteile

In Gebieten mit Bedarf an Kühlung fallen die täglichen Spitzenzeiten im Sommer mit den höchsten atmosphärischen Lufttemperaturen zusammen, was den Wirkungsgrad und die Leistung von Gasturbinen verringert.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kosten für ein zusätzliches MW durch eine Eingangsluftkühlung preisgünstiger sind als ein MW aus einer neuen Gasturbine. Je nach Konstellation kann es aufgrund des höheren Wirkungsgrades sein, dass eine Turbine mit Einlasskühlung weniger Brennstoff benötigt als eine Turbine ohne Kühlung. Weitere Vorteile sind die Erhöhung des Dampfmassenstroms in GuD-Anlagen, die Reduzierung der Turbinenemissionen (SOx, NO_x, CO₂) und der geringe Platzbedarf bei gleicher Leistung.

Um die Rentabilität einer Turbineneinlassluftkühlung zu berechnen, müssen verschiedene Aspekte wie Umgebungsbedingungen, Wasserkosten, stündliche Strombedarfswerte und Brennstoffkosten berücksichtigt werden.

Einzelnachweise

1. ↑ TURBINEINLET COOLING ASSOCIATION. Abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 
2. ↑ Ali Al-Alawi, Syed Islam: ESTIMATION OF ELECTRICITY DEMAND FOR REMOTE AREA POWER SUPPLY SYSTEMS INCLUDING WATER DESALINATION AND DEMAND SIDE MANAGEMENT MODELS. Centre for Renewable Energy and Sustainable Technologies Australia; abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 
3. ↑ Equations - Air Density and Density Altitude. Abgerufen am 8. September 2023. 
4. ↑ http://site.ge-energy.com/businesses/ge_oilandgas/en/literature/en/downloads/inletair_cooling.pdf
5. ↑ John Zactruba, Lamar Stonecypher: What is ISO rating of Gas Turbines. 8. Februar 2009; abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 
6. ↑ C. Meher-Homji, T. Mee, 2000. “Gas Turbine Power Augmentation by Fogging of Inlet Air.” Proceedings of the 28th turbomachinery Symposium (2000), Texas A & M. Turbolab
7. ↑ S. Savic, B. Hemminger, T. Mee “High Fogging Application for Alstom Gas Turbines,” Proceedings of PowerGen November 2013. High-Fogging
8. ↑ “To fog or not to fog: What is the answer?” Combined Cycle Journal, Third Quarter 2008. Combined Cycle Journal
9. ↑ S. Savic, M. Stevens, 2014. "Gas Turbine Air Inlet Cooling Technologies for Power Augmentation in the Gulf/Middle East Regions" Penwell
10. ↑ T. Mee. “Gas turbine inlet air fogging for humid environments.” The Singapore Engineer, Mai 2015, S. 30. Singapore Engineer
11. ↑ T Mee, 1999. “Reduction of Gas Turbine NOX Emissions by Inlet Air Fogging” 18th Annual Power Systems Conference, Iran. Irandanesh
12. ↑ S. Savic, B. Hemminger, T. Mee, High Fogging Application for Alstom Gas TurbinesProceedings of PowerGen November 2013. High-Fogging
13. ↑ R. S. JOHNSON, Sr., P.E.: The Theory and Operation of Evaporative Coolers For Industrial Gas Turbine Installations. Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, Amsterdam 5. Juni 1988 (englisch). 
14. ↑ Kamal NA, Zuhair AM (2006). Enhancing gas turbine output through inlet air cooling. Sudan Eng. Soc. J., 52(4-6): 7-14.
15. ↑ U.S. Department of Energy: Low-Grade Waste Steam to Power Absorption Chillers. Januar 2012; abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 
16. ↑ TES tank: How it works. Abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 
17. ↑ Powergenu: Turbine Inlet Cooling: An Energy Solution That's Better for the Environment, Ratepayers and Plant Owners. Abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 
18. ↑ William E. Stewart, Jr., P.E.: Turbine Inlet Air Cooling. ASHRAE JOURNAL, September 2008; abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 

Weblinks

• Turbine Inel Cooling Association
• Heat Rate Basics
• On Peak Demand Techniques
• ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers
• International Energy Agency