Kraftwerktechnik
Spezialisten holen mehr Energie aus der Kohle
Dienstag, 18. Januar 2011 12:40 - Von Rüdiger SchachtKohlekraftwerke gelten als ineffektiv: Doch nun haben Ingenieure im Kohlekraftwerk Mannheim eine Teststrecke für Hochtemperatur-Werkstoffe mit einer Dampftemperatur von 725 Grad Celsius entwickelt. Konventionelle Kraftwerke arbeiten bei 500 Grad. Ziel ist es, die Effizienz von Kohle zu steigern.
Foto: GKM
Großkraftwerkes in Mannheim: In einer Teststrecke steigt die Dampftemperatur auf 725 Grad Celsius.
Der Dampf für die Teststrecke kommt aus dem Hauptkessel und wird im Verlauf der Teststrecke von 540 Grad auf die Endtemperatur von 725 Grad Celsius erhitzt. „Je heißer der Dampf, desto größer die Ausbeute an elektrischem Strom, könnte man das Prinzip vereinfacht beschreiben“, sagt Hans Christian Schröder.
Schröder ist Kraftwerkspezialist beim TÜV-Süd, der gemeinsam mit 13 Partnern aus Industrie und Forschung das Experiment im Großkraftwerk betreut. Unter realen Bedingungen wird hier im Dauerbetrieb getestet, wie das Material der Rohrleitungen und Armaturen sich bei den hohen Temperaturen verhält. „Vergegenwärtigt man sich, dass viele Materialien bei 700 Grad Celsius Hitze bereits rot glühen, wird einem schnell klar, dass die in den neuen Kraftwerken verbauten Werkstoffe immensen Belastungen standhalten müssen“, sagt Schröder.
Die angestrebte Hochtemperaturtechnik steigert die Effizienz der Kraftwerke, oder einfacher: mehr Energie aus derselben Menge Kohle. Eine gute Nachricht – weniger gut ist, dass das aufwendige Zurückhalten von Kohlendioxid (CO2) aus der Umwelt den Effizienzschub zumindest teilweise wieder zunichte macht. Also ein Nullsummenspiel ohne Wirkung? „Nein“, sagt Schöder. „Mit der neuen Technologie können wir uns die CO2- Filterung leisten, ohne den Wirkungsgrad der existierenden Kraftwerke nach unten korrigieren zu müssen."
Die höllischen Temperaturen von über 700 Grad in den Dampfrohren der neuen Generation von Kohlekraftwerken erfordern einen enormen technischen Aufwand, erhöhen aber den Wirkungsgrad der Kohletechnologie von den derzeit üblichen 35 Prozent auf über 50 Prozent. „Um 700 Grad Celsius fahren zu können, sind neue hochwarmfeste Werkstoffkonzepte nötig, die den hohen Temperaturen auch im Alltagsbetrieb standhalten können“, sagt Schröder.
Mit der Werkstoff-Teststrecke betreten die Ingenieure Neuland. Derzeit forschen die Materialwissenschaftler vom TÜV-Süd und der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart an hochlegierten Nickel-Stählen, die spezielle Anforderungen an Fertigung, Auslegung, Weiterverarbeitung und die Prüfung der Komponenten stellen. „Bei Temperaturen über 600 Grad Celsius treten Veränderungen am Material auf, die unter anderem auch einen Einfluss auf die Lebensdauer haben“, sagt Schröder. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit müssen die auftretenden Veränderungen möglichst früh im laufenden Betrieb erkannt werden. „Wir arbeiten noch an entsprechenden, weiterentwickelten hochauflösenden und kostengünstigen Prüfverfahren."
Noch ein anderes Problem haben die Ingenieure: neben dem Material der Rohre verändert sich auch das der Schweißnähte mit der hohen Temperatur. Bisher existieren jedoch noch keine verlässlichen Werte zur Messung der Alterungsvorgänge der neuen Materialien und Komponenten über einen längeren Betriebszeitraum. Die Namen der verwendeten Stähle – wie etwa „VM12-SHC“ – zeigen nur dem Eingeweihten, dass es sich hier etwa um einen zwölfprozentigen Chromstahl handelt, der hohe Arbeitstemperaturen erlaubt.
Um die Alltagstauglichkeit des Materials festzustellen, entwickelten die Ingenieure Prüfverfahren, die helfen sollen, die temperaturbedingten Veränderungen im Stahl zu erkennen und Schäden vorzubeugen, sagt Schröder: „Mit den herkömmlichen Methoden kommen wir bei den neuen Stählen nicht weiter. Deshalb haben wir mit der TÜV-Creep-Replica-Methode ein einfaches Verfahren zur lokalen Dehnungsmessung an Bauteilen entwickelt.“ Die neue Methode erlaubt Langzeitmessungen zu lokalen Dehnungsänderungen besonders stark beanspruchter Bauteile. So gewinnen die Ingenieure Aussagen über den Erschöpfungszustand des Materials, um es rechtzeitig auszutauschen, bevor es endgültig versagt.
Mit der neuen Technologie werden jetzt die Ressourcen zur Kohlendioxidabtrennung ohne einen zusätzlichen Wirkungsgradverlust zur Verfügung gestellt. Die Abtrennung des CO2 vom Rauchgas ist ein technisch und energetisch aufwendiges Verfahren, das neben der Reinigung des Rauchgases zu einer Absenkung des Wirkungsgrades eines Kraftwerkes um rund 25 Prozent führt, was einer Minderung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage um rund zehn Prozentpunkte entspricht. Gängige technische Methoden sind etwa die CO2-Abscheidung nach der Kohlevergasung, die Verbrennung der Kohle in einer Sauerstoffatmosphäre oder die so genannte Rauchgaswäsche.
„Mit der Hochtemperaturmethode erreichen wir bei der gleichen Menge an Kohle einen Wirkungsgrad, der uns die Abscheidung des Klimagases Kohlendioxid ermöglicht“, sagt Schröder. „Damit ist die Kohlekraft auf dem richtigen Weg in eine CO2-ärmere Zukunft.“ Wobei die Speicherung des abgetrennten CO2 eine andere Herausforderung darstellt.
Auch für alte Kraftwerke ist eine Nachrüstung mit der neuen Technologie denkbar. „Aber inwieweit das betriebswirtschaftlich sinnvoll wäre steht auf einem ganz anderen Blatt“, so Schröder. „Unter wirtschaftlichen Aspekten wäre ein Neubau wohl sinnvoller.“
Erschienen am 11.03.2010
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