Eine Hochtemperatur-Gasturbine: Rechts die Schaufelreihen des 16stufigen Verdichters, der die Luft komprimiert; links die vierstufige Entspannungsturbine. Die Entspannungsturbine gibt den größten Teil ihrer Leistung für den Antrieb des Verdichters ab, der auf derselben Welle sitzt. Der Rest wird durch Ankopplung eines 60-Megawatt-Generators in elektrische Energie umgesetzt. In der Mitte - zwischen Verdichter und Entspannungsturbine - tritt der heiße Gasstrahl ein, der durch die Verbrennung des Brennstoffs mit der komprimierten Luft aus dem Verdichter entstanden ist. Wegen der Eintrittstemperatur von 1300 Grad Celsius ist dieser Bereich der Gasturbine mit hochtemperaturbeständigen keramischen Bauteilen ausgekleidet.

Die Gasturbine funktioniert wie ein Strahltriebwerk

Beim Gasturbinenkraftwerk treibt ein heißer Gasstrahl die Schaufelräder auf der Turbinenwelle. Erzeugt wird dieser Gasstrahl in einer Brennkammer, die vom Prinzip her genauso funktioniert wie das Strahltriebwerk eines Düsenflugzeugs. Der wesentlichste Unterschied besteht darin, daß das Düsenflugzeug mobil ist und den Schub nutzt, der durch den Rückstoß des Gasstrahls entsteht, während die Gasturbine fest montiert ist und die Energie des Gasstrahls auf die Schaufelräder der Turbinenwelle lenkt.

Der Gasstrahl von Gasturbinen erreicht Temperaturen von über 1000 Grad. Der "Carnotsche Wirkungsgrad" könnte also im Vergleich zur Umgebungstemperatur sehr hoch sein. In der Praxis schrumpft er allerdings, weil die Abgastemperatur mit etwa 500 Grad ebenfalls sehr hoch liegt. Noch erheblichere Abstriche am tatsächlichen Wirkungsgrad bewirkt der hohe Energiebedarf für den Verdichter, der große Mengen Luft ansaugen und komprimieren muß, die dann zusammen mit dem Brennstoff in die Brennkammer gepreßt werden. Der größte Teil der erzeugten Leistung wird für den Antrieb des Verdichters benötigt. Aus diesen Gründen beträgt der Wirkungsgrad von Gasturbinenkraftwerken nur etwa 33 bis maximal 42 Prozent.

Die Gasturbine hat ihren Namen von dem heißen Gasstrahl, der aus der Brennkammer entweicht und die Turbinenräder in Drehung versetzt. Als Brennstoff muß aber nicht unbedingt Gas verwendet werden. So dient bei Düsenflugzeugen Kerosin als Brennstoff für die Strahltriebwerke - ein Erdölprodukt, das von seiner Güte her nur eine Stufe über dem Dieselöl liegt und früher als Petroleum bekannt war. Die Stromwirtschaft betreibt dagegen ihre Gasturbinenkraftwerke meistens mit Erdgas oder Heizöl. Zur Zeit wird daran gearbeitet, Gasturbinenkraftwerke auch mit Kohlegas betreiben zu können.

Im Unterschied zu Dampfkraftwerken sind Gasturbinenkraftwerke innerhalb weniger Minuten verfügbar. Sie brauchen weder Kühltürme noch aufwendige Anlagen zur Rauchgasreinigung, lassen sich relativ schnell errichten und sind dabei billiger als Dampfkraftwerke vergleichbarer Leistung. Die Stromerzeugungskosten liegen dagegen höher als bei Dampfkraftwerken. Sie werden deshalb meistens nicht als Grundlastkraftwerke betrieben, sondern für die Abdeckung von Bedarfsspitzen eingesetzt.

Schema eines Gas- und Dampfturbinenprozesses.

Besonders effektiv: Die Kombination von Gas- und Dampfturbinenkraftwerk

Der Wirkungsgrad von Gasturbinenkraftwerken erhöht sich beträchtlich, wenn man die heißen Abgase nicht ungenutzt verpuffen läßt, sondern für den Betrieb eines Dampfkraftwerks verwendet. Bei einem solchen Kombi-Kraftwerk erhitzen die Abgase einen Dampfkessel. In der Regel erreicht die nachgeschaltete Dampfturbine nochmals die Hälfte der Leistung der Gasturbine. Der Wirkungsgrad beträgt bei neuen Anlagen 51 bis 58 Prozent. Derartige Gas- und Dampfturbinenkraftwerke werden auch als GuD-Kraftwerke bezeichnet. Sie lassen sich wirtschaftlich im Dauerbetrieb einsetzen.

Man kann die heißen, sauerstoffreichen Abgase der Gasturbine aber auch als vorgewärmte Verbrennungsluft für ein Dampfkraftwerk verwenden, was Energie für dessen Vorwärmung spart. Dadurch wird der Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks z.B. von 41 auf 46 Prozent angehoben. Bei einem solchen Kombi-Kraftwerk können beide Teile auch unabhängig voneinander betrieben werden, allerdings mit geringerem Wirkungsgrad. Als Brennstoffe werden dann sowohl Erdgas als auch Kohle benötigt, wobei der größere Teil des Brennstoffbedarfs auf die Kohle entfällt.