Erdgaskraftwerke: Die effizienteste Art, etwas zu verbrennen
Erdgas nimmt in der Energiedebatte eine unbequeme Stellung ein, weil es tatsächlich besser ist als Kohle und tatsächlich nicht sauber. Beide Aussagen sind quantitativ und nicht rhetorisch, und die Zahlen, die darüber entscheiden, sind der Wirkungsgrad der Turbine und die Leckagerate der Lieferkette.
Warum der Kombiprozess gewinnt
Eine Gasturbine ist ein am Boden festgeschraubtes Strahltriebwerk. Luft wird verdichtet, Brennstoff eingespritzt und verbrannt, und das heiße Gas entspannt sich über Turbinenschaufeln, die sowohl den Verdichter als auch einen Generator antreiben. Die Verbrennungstemperaturen erreichen 1.500 Grad und mehr, weit über dem, was ein Dampfkessel verträgt - und hohe Temperatur ist das, was der Carnot-Zusammenhang belohnt.
Für sich genommen wandelt eine Gasturbine 35 bis 42 Prozent des Brennstoffs in Strom und wirft den Rest als Abgas mit 500 bis 600 Grad weg. Dieses Abgas ist heiß genug, um Dampf zu erzeugen, und das ist der Gedanke hinter dem Kombiprozess: einen Abhitzekessel hinter die Turbine setzen, damit eine Dampfturbine betreiben und aus demselben Brennstoff zweimal erzeugen.
Die Kombination erreicht rund 60 Prozent, die besten Maschinen über 63. Keine andere Art, etwas zu verbrennen, kommt in die Nähe - ein Kohlekraftwerk bleibt bei 45 stehen, weil sein Arbeitsmedium Wasser ist, das sich nicht über den Punkt hinaus überhitzen lässt, den die umgebenden Legierungen überstehen. Eine Gasturbine hat diese Beschränkung im heißen Teil nicht, weil das Arbeitsmedium das Verbrennungsgas selbst ist und aus der Luftfahrt übernommene Schaufelkühlung das Metall unter der Gastemperatur hält.
Der Preis dieses Wirkungsgrads ist die Anfahrzeit. Ein Kombikraftwerk braucht aus dem Kalten 30 Minuten bis einige Stunden, weil die Dampfseite allmählich angewärmt werden muss. Eine Anlage im offenen Prozess, die das Abgas verwirft, erreicht in fünf bis fünfzehn Minuten Volllast. Netze halten beides für verschiedene Aufgaben vor.
Die Flexibilität, die es unverzichtbar machte
Die bestimmende Betriebseigenschaft von Gas ist nicht der Wirkungsgrad, sondern die Reaktionsfähigkeit. Ein modernes Kombikraftwerk kann seine Leistung um 30 bis 60 Megawatt je Minute ändern; eine offene Gasturbine geht schneller von null auf Volllast, als eine Wolke über einen Solarpark zieht.
Genau das braucht ein Netz mit großen Mengen Windkraft und Photovoltaik, und es erklärt einen scheinbaren Widerspruch: Die Gasleistung ist in denselben Märkten gewachsen, in denen die Erneuerbaren am schnellsten wuchsen. Sie konkurrieren nicht um dieselbe Rolle. Erneuerbare liefern Energie; Gas liefert die Fähigkeit, den Rest auf Abruf und zu jeder Stunde aufzufüllen.
Gaskraftwerke liefern noch etwas weniger Sichtbares. Ihre Turbinen und Generatoren drehen synchron mit dem Netz und tragen die Schwungmasse bei, die plötzlichen Frequenzänderungen entgegenwirkt. Über Wechselrichter angebundene Wind- und Solaranlagen liefern von sich aus keine, sodass dieser Dienst mit dem Rückzug des Gases durch Phasenschieber, netzbildende Wechselrichter oder sehr schnelle Speicher ersetzt werden muss.
Daraus folgt ein Festlegungsproblem, das mit Kohlenstoffbilanzen nichts zu tun hat. Ein Gaskraftwerk, das Erneuerbare absichern soll, läuft vielleicht nur 10 bis 20 Prozent der Jahresstunden, muss aber existieren und bezahlt werden. Kapazitätsmärkte gibt es weitgehend deshalb, und sie sind der Grund, warum die je Energieeinheit günstigste Erzeugung nicht automatisch das günstigste System ergibt.
Die Methanfrage
Die Verbrennung von Erdgas setzt rund 490 Gramm Kohlendioxid je Kilowattstunde frei gegenüber 820 bei Kohle; am Kraftwerk ist Gas also etwas mehr als halb so kohlenstoffintensiv. Dieser Vergleich stimmt und ist zugleich unvollständig.
Erdgas besteht überwiegend aus Methan, und Methan, das unverbrannt entweicht, ist ein weit stärkeres Treibhausgas als das Kohlendioxid, zu dem es geworden wäre. Über einen Zeitraum von 20 Jahren hält Methan je Tonne rund 80-mal mehr Wärme zurück, über 100 Jahre etwa 30-mal. Leckagen wiegen deshalb in keinem Verhältnis zu ihrer Menge.
Die Rechnung ist unerbittlich. Eine Leckage von rund 3 Prozent des Durchsatzes genügt, um den Klimavorteil gegenüber Kohle auf 20-Jahres-Sicht weitgehend aufzuzehren, und ab wann er ganz verschwindet, hängt vom gewählten Zeithorizont ab. Gemessene Leckageraten schwanken zwischen Feldern und Ländern enorm: Satelliten- und Flugzeugmessungen fanden einzelne Fördergebiete deutlich über 3 Prozent, während gut regulierte Systeme unter 1 liegen.
Das ist das seltene Klimaproblem, dessen Behebung günstig ist. Der größte Teil der Leckage stammt aus einer kleinen Zahl großer Quellen - erloschene Fackeln, abblasende Verdichter, aufgegebene Bohrungen -, und die Erkennung per Satellit hat sich seit 2020 stark verbessert. Die Reparatur trägt sich meist selbst, denn das entweichende Produkt ist verkäuflich. Gefehlt haben Messung und Verpflichtung, nicht Technik.
Wohin Gas geht
Das Brückenargument besagt, dass Gas jetzt Kohle verdrängt und später von sauberer Erzeugung verdrängt wird. Teilweise ist das geschehen: Die USA senkten ihre Emissionen im Stromsektor in den 2010er Jahren erheblich, weitgehend durch den Wechsel von Kohle zu Gas, und die Minderung war real.
Die Schwierigkeit einer Brücke ist, dass sie irgendwo enden muss. Ein heute gebautes Gaskraftwerk hat 30 Jahre Lebensdauer, und die Infrastruktur dahinter - Pipelines, Terminals, Speicher - wird über ähnliche Zeiträume finanziert. Für eine Rolle zu bauen, die schrumpfen soll, verlangt entweder frühe Abschreibungen hinzunehmen oder der Anlage eine zweite Aufgabe zu geben.
Zwei zweite Aufgaben werden entwickelt. Die eine ist der Betrieb mit Wasserstoff, den mehrere Turbinenhersteller inzwischen in Beimischungen bis 30 Prozent unterstützen, mit angekündigten Auslegungen für reinen Wasserstoff; das Verbrennungsverhalten unterscheidet sich genug, dass es kein einfacher Brennstofftausch ist. Die andere ist die Kohlenstoffabscheidung am Abgas, die einfacher ist als bei Kohle, weil das Rauchgas sauberer ist, wobei das Kohlendioxid stärker verdünnt vorliegt.
Keine der beiden adressiert das vorgelagerte Methan, weshalb die Leckagefrage den Klimastatus von Gas wahrscheinlich stärker bestimmen wird als alles, was im Kraftwerk selbst geschieht.
Häufige Fragen
Warum ist ein Kombikraftwerk so viel effizienter als Kohle?
Weil es bei weit höherer Temperatur verbrennt und die Wärme anschließend zweimal nutzt. Eine Gasturbine läuft bei 1.500 Grad, deutlich über dem, was die Legierungen eines Dampfkessels vertragen, und ihr Abgas mit 500 bis 600 Grad ist noch heiß genug für eine zweite Turbine. Die Kombination erreicht rund 60 Prozent gegenüber 45 beim besten Kohlekraftwerk.
Ist Erdgas sauberer als Kohle?
Am Kraftwerk ja: rund 490 Gramm Kohlendioxid je Kilowattstunde gegenüber 820. Über die gesamte Lieferkette hängt es an der Methanleckage. Leckagen über etwa 3 Prozent zehren den 20-Jahres-Vorteil weitgehend auf, und gemessene Raten reichen von unter 1 Prozent in gut regulierten Systemen bis deutlich über 3 in einzelnen Fördergebieten.
Warum wiegt Methanleckage so schwer?
Weil Methan je Tonne über 20 Jahre rund 80-mal mehr Wärme zurückhält als Kohlendioxid und über 100 Jahre etwa 30-mal. Ein kleiner unverbrannt entweichender Anteil überwiegt deshalb eine große effizient verbrannte Menge. Der größte Teil stammt aus wenigen großen Quellen und ist günstig zu beheben, weil das entweichende Gas verkäuflich ist.
Was unterscheidet offenen vom kombinierten Prozess?
Eine Anlage im offenen Prozess betreibt nur die Gasturbine und verwirft das Abgas; sie erreicht 35 bis 42 Prozent Wirkungsgrad, aber Volllast in fünf bis fünfzehn Minuten. Ein Kombikraftwerk nutzt die Abgaswärme für eine Dampfturbine, erreicht rund 60 Prozent, braucht aus dem Kalten aber 30 Minuten bis mehrere Stunden.
Warum wächst die Gasleistung neben den Erneuerbaren?
Weil sie verschiedene Aufgaben haben. Wind und Sonne liefern Energie, wenn das Wetter es zulässt; Gas liefert Leistung auf Abruf binnen Minuten, und seine drehenden Generatoren liefern Netzschwungmasse. Eine für diese Rolle gebaute Anlage läuft vielleicht nur 10 bis 20 Prozent des Jahres, muss aber existieren - dafür sind Kapazitätsmärkte gemacht.
