Turbomaschinen für das emissionsarme Kraftwerk

Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen befeuert werden, bleiben auch in den kommenden Jahrzehnten unverzichtbar für eine sichere Energieversorgung. So geht die Internationale Energieagentur davon aus, dass auch bei einem starken Ausbau der erneuerbaren Energien und einem deutlichen Anstieg der Energieeffizienz die fossilen Brennstoffe im Jahr 2050 immer noch rund 70 Prozent des Weltenergiebedarfs decken müssen.

Um diese Form der Energieerzeugung klimafreundlich und nachhaltig zu gestalten, muss das Treibhausgas Kohlendioxid, welches in diesen Kraftwerken anfällt, so weit wie möglich aus der Umwelt entfernt werden. Dazu sind verschiedene Verfahren in der Entwicklung, mit denen CO2 vor bzw. nach den eigentlichen Kraftwerksprozessen abgeschieden und in unterirdischen Lagern dauerhaft deponiert werden kann. Diese Prozesse (man spricht von Carbon Capture and Storage, CCS) haben jedoch den Nachteil, dass sie selbst Energie (bzw. Brennstoff) benötigen und damit den Gesamtwirkungsgrad der Kraftwerke verringern. Umso wichtiger ist es daher, parallel zur Entwicklung der CCS-Verfahren die Effizienz von Kraftwerken über das in den letzten Jahrzehnten bereits erreichte Maß hinaus zu steigern und damit den Wirkungsgradverlust infolge CO2-Abtrennung so weit wie möglich auszugleichen.

Im Zentrum von Forschung und Entwicklung stehen die Turbomaschinen, die in den Dampf-, Gas- oder Kombikraftwerken (GuD) für die eigentliche Energieumwandlung verantwortlich sind. Auf allen Stufen der technischen Prozesse – von der Verdichtung der Gase über die Verbrennung in Gasturbinenbrennkammern bis hin zur Expansion in den Turbinen – sind Innovationen vonnöten, um die gesteckten Ziele bei Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit tatsächlich zu erreichen. Neue, extrem temperaturresistente Werkstoffe (z.B. thermoschockbeständige Keramiken) und Beschichtungen, optimierte Verfahren für Kühlung und Abdichtung, eine perfektionierte Luft- bzw. Gasströmung in Verdichter und Turbine (Aerodynamik) sowie eine schadstoffarme Verbrennung sind hier gleichermaßen wegweisend für die Entwicklung der kommenden Jahre.

Dampfturbine: mit gesteigerter Temperatur

Auch in Zukunft wird ein Großteil des elektrischen Energiebedarfs durch Braun- und Steinkohlekraftwerke gedeckt werden. Die derzeit modernste Generation der Braunkohlekraftwerke erreicht Wirkungsgrade von 43 Prozent, Steinkohle-Anlagen erreichen 46 Prozent. Um diese weiter zu steigern, müssen vor allem die so genannten Dampfparameter erhöht werden. Das heißt: Der in der Turbine genutzte Dampf soll möglichst hohe Temperaturen und Drücke erreichen. Während in den heute modernsten Kraftwerken der Dampf rund 600 °C heiß ist und einen Druck von rund 280 bar besitzt, soll dies in der nächsten Generation auf 700 °C und 350 bar gesteigert werden. Ziel ist ein Wirkungsgrad von 50 Prozent.

Dieser Fortschritt wird nur möglich, wenn die Forschung alle beteiligten Prozesse noch einmal in Angriff nimmt – durch neue Materialien und weitere Verbesserungen an den verschiedenen Komponenten der Anlage. Dazu gehören z.B. neuartige Werkstoffe für Turbinenrotoren und Gehäuse (Nickelbasislegierungen) sowie Designkonzepte für die mit wachsender Leistung immer größer werdenden Schaufeln im Niederdruckbereich. Entscheidend wird zudem sein, durch bessere Dichtungssysteme (Bürstendichtung „abrasive“ Dichtungen) Leckagen zu vermeiden sowie Energieverluste in den Turbinenstufen zu verringern, wie sie durch so genannte Sekundärströmungen an den Turbinenschaufeln entstehen. Bei weiter wachsenden Leistungen und damit größeren Turbinen-Endstufen wir zudem die sichere Beherrschung der Kopplung zwischen Dampfströmung und Schaufelstruktur künftig zu einer Schlüsseltechnologie.

Gasturbine: flexibel bei den Brennstoffen

Gasturbinenkraftwerke arbeiten mit besonders hohem Wirkungsgrad (derzeit bis knapp 60 Prozent), wenn im so genannten GuD-Prozess die Gasturbine mit einer nachgeschalteten Dampfturbine gekoppelt ist und so die Energie des Brenngases bestmöglich ausgenutzt wird. Ziel ist es, bis zum Jahr 2020 einen Wirkungsgrad von 63 Prozent zu erreichen. Dazu muss man die Temperatur des Gases, das die Turbine antreibt, auf mehr als 1500 °C erhöhen und die Effektivität, sprich den inneren Wirkungsgrad von Verdichter und Turbine, weiter steigern. In den drei Bauteilen einer solchen Turbomaschine – Verdichter, Brennkammer, Turbine – müssen Werkstoffe und Komponenten auf diese steigenden Anforderungen zugeschnitten werden.

Im Verdichter sind zum Beispiel eine Reihe von aerodynamischen Problemen zu überwinden, etwa durch aktive Strömungsbeeinflussung oder durch die Nutzung instationärer Effekte. In der Brennkammertechnologie geht es darum, die Verbrennungsvorgänge computergestützt zu simulieren und die enorme thermische Beanspruchung der Materialien zu beherrschen. Darüber hinaus erfordert der zunehmende Einsatz von Synthesegasen aus der Kohlevergasung eine neuartige Brennertechnologie; denn der in solchen Gasen enthaltene hohe Wasseranteil zieht eine deutlich geringere Reaktionszeit und einen erhöhten Brennstoff-Volumenstrom nach sich.

Im Bereich der Turbine sind neue Konzepte zu entwickeln, welche die Kühlung (im Inneren bzw. an der Oberfläche der Schaufeln) optimieren und Kühlluftverluste durch verbesserte Dichtungen minimieren. Eine weitere Erfolgsvoraussetzung besteht darin, den bei GuD-Kraftwerk gekoppelten Gas- und Dampfturbinenprozess noch besser aufeinander abzustimmen, etwa indem man die Austrittstemperatur des Gasturbinen-Abgases und die Temperatur des Dampfkraftprozesses optimal anpasst.