Gemeinsam geht es schneller

Forschungsziel Nummer 1 des Forschungsverbundes AG Turbo war von Anbeginn die Verbesserung des Wirkungsgrades und der Umweltverträglichkeit von Kraftwerksturbinen: Je effizienter fossile Brennstoffe zu Wärme und Strom umgewandelt werden, desto geringer sind Emissionen und Brennstoffverbrauch.

Kraftwerksturbinen (Gas- und Dampfturbinen) und Flugzeugtriebwerke sind Strömungsmaschinen, in denen unter Druck stehende heiße Gase oder Wasserdampf entspannt werden, um auf diese Weise Arbeit zu verrichten. In Dampfkraftwerken beträgt die nutzbare Leistung der Turbinen bis zu 1,3 Gigawatt – rund 1,8 Millionen PS. Und wen wundert es nicht, wie klein Triebwerke von agroßen Verkehrsflugzeugen sind und wie sie dennoch eine unvorstellbare Schubkraft entwickeln können. Strömungsmaschinen sind Glanzstücke der Maschinenbaukunst.

Gerade weil die Energieumwandlung in Turbomaschinen auf kleinstem Raum solche gewaltige Ausmaße annimmt, hat jede technische Verbesserung, auch wenn sie noch so klein erscheinen mag, extrem positive Folgen: „Effizientere Kreisprozesse und bessere Wirkungsgrade der Maschinen und ihrer Komponenten können somit einen unmittelbaren Beitrag zur rationellen Energieverwendung leisten und müssen deshalb auch im Rahmen der Energieförderprogramme der Bundesregierung angemessen berücksichtigt werden“, hieß es schon 1982 in dem von Wirtschaft und Wissenschaft herausgegebenen „Orientierungsrahmen“ für die mittelfristige Forschung und Entwicklung auf diesem bedeutenden
Gebiet des deutschen Maschinenbaus.

„Die allgemeine Lage in der Branche war gegen Ende der 70er Jahre dadurch gekennzeichnet, dass die Bundesrepublik Deutschland zwar als ein international anerkanntes Herstellerland für Turbomaschinen galt, man aber feststellen musste, dass die Exportquote kontinuierlich sank“, erinnert sich Dipl.-Ing. Wolfgang Keppel, in jener Zeit verantwortlich für die Entwicklung der Gasturbinentechnik beim Unternehmen ABB (der heutigen Alstom) in Mannheim und später langjähriger Sprecher der AG Turbo. 1976 hatte der Anteil Westdeutschlands am Weltmarkt stationärer Turbinen noch 19 Prozent betragen und war dann bis 1980 auf etwa 15 Prozent gefallen. „Es bestand kein Zweifel, es musste etwas geschehen“, ergänzt Keppel: „Uns war klar, dass wir unsere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen intensivieren mussten, wollten wir die Turbomaschinenindustrie und die damit verbundenen Arbeitsplätze in Deutschland sichern.“

Bausteine des Erfolges

Bald fanden sich rund 150 Fachleute und Wissenschaftler aus Industrie, Universitäten und Forschungseinrichtungen zusammen, um den zitierten „Orientierungsrahmen“ zur Förderung der Turbinenforschung und -entwicklung in Deutschland aus der Taufe zu heben. Und schnell war man sich einig, dass es ein entscheidendes Element für den schon bald nach der Gründung der AG Turbo sichtbar werdenden Erfolg gab: die Weiterentwicklung der Gasturbine.

„Beide Seiten – die Entwickler der stationären wie der fliegenden Gasturbinen – waren überzeugt, dass gemeinsames Handeln den technischen Fortschritt beflügeln würde“, sagt Professor Dr.-Ing. Heinrich Weyer, bis 2003 Direktor des DLR-Instituts für Antriebstechnik und stellvertretender Sprecher der AG Turbo bis 2004.

In Gasturbinen folgen die Ingenieure dem Prinzip, zunächst Luft über Verdichterstufen zu komprimieren und in einer Brennkammer mit Treibstoff zu vermischen und zu erhitzen. Bei der Kraftwerksgasturbine entspannen die heißen und unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase in einer Turbine und treiben den Verdichter selbst und den Generator an, während im Flugtriebwerk die verbleibende Energie des Gases genutzt wird, entweder den Luftstrom in der Düse zu beschleunigen und so Schub zu erzeugen oder einen Fan bzw. einen Propeller anzutreiben. Die Entwicklungsanforderungen und die daraus abgeleiteten Forschungsaufgaben auf dem Gebiet der Turbinentechnik, die man gemeinsam herausgearbeitet hatte, wurden schließlich im „Orientierungsrahmen“ publiziert, und „so entstand 1982 eines der wenigen Bücher, von denen ich weiß, dass sie auch ins Japanische übersetzt wurden“, sagt Heinrich Weyer. 1986 – kurz nach ihrer Gründung – begann die AG Turbo mit ihrem ersten Verbundforschungsprojekt unter dem Namen Hochtemperatur-Gasturbine. Die Arbeiten widmeten sich drei Kernthemen: Erhöhung der Temperatur des Arbeitsmediums, Verbesserung der fluidmechanischen Energieumsetzung – auch um eine Überbeanspruchung der eingesetzten Werkstoffe zu vermeiden – und Reduktion der Schadstoffe bei der Verbrennung.

Meilensteine und Quantensprünge

„Der Wunsch, den Wirkungsgrad und damit sowohl die Wirtschaftlichkeit der Turbine zu verbessern, als auch Ressourcen zu schonen, zieht sich wie ein roter Faden durch alle Forschungs- und Entwicklungsprojekte der AG Turbo“, sagt Wolfgang Keppel und nennt die erreichten Eckdaten: „Unser Ausgangspunkt bei den stationären Gasturbinen lag bei rund 30 Prozent – jetzt erreichen wir 38 bis 39, bald 40 Prozent; im gemischten Prozess des Gas- und Dampfkraftwerks, bei dem eine Dampfturbine zur Abwärmenutzung einer Gasturbine nachgeschaltet wird, lagen wir zu Anfang der 80er Jahre bei 45 Prozent Wirkungsgrad, heute haben wir 58 Prozent erreicht und werden bald die 60-Prozent-Marke überschreiten.“

Ein wichtiger Meilenstein der Entwicklungsarbeiten in der AG Turbo war die Verbesserung der Verbrennung. Während sich in der Vergangenheit bei Kraftwerksgasturbinen der Brennraum außerhalb befand, umschließt er heute – zwischen Verdichter und Turbine angeordnet – die Welle. Brennstoff und Luft werden schon vor Eintritt in die Brennkammer weitgehend homogen gemischt, so dass deutlich weniger Schadstoffe entstehen als bei der früheren Diffusionsverbrennung. „Wir haben in den letzten zwanzig Jahren unter anderem aufgrund dieser Arbeiten der AG Turbo einen Quantensprung bei der Verringerung des Stickoxidausstoßes erreicht“, berichtet Weyer, „die Reduktion beträgt 90 Prozent.“ Und ein „weiterer Quantensprung liegt in der spezifischen Leistung der stationären Gasturbine“, fügt er hinzu. Obwohl sie in ihren Abmessungen insgesamt kaum größer sei als Mitte der 80er Jahre, leiste sie heute 300 Megawatt und mehr. Damals habe die Leistungsgrenze bei 85 Megawatt gelegen.

„Die gemeinsame Anstrengung kommt beiden Antrieben – der stationären Gasturbine wie dem Flugtriebwerk – zugute“, verdeutlichen beide ehemaligen AG-Turbo-Sprecher, „und der Fortschritt ist keine Einbahnstraße, wie die ‚Luftfahrer’ gerne glauben, denn die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben gleichermaßen auch die Entwicklung der Flugzeugturbine beeinflusst.“ Das gelte etwa für Fragen der Bauteilkühlung, der Schutzschichten oder der schadstoffarmen Verbrennung. Es hätten sich durch die partnerschaftliche Zusammenarbeit in der AG Turbo eben vielfältige synergetische Wechselwirkungen herausgebildet. „Dieses unmittelbare Miteinander hat schneller zum Ziel geführt, als wenn der jeweilige Fortschritt isoliert den Umweg über Veröffentlichungen hätte nehmen müssen“, sagen Weyer und Keppel.

Die AG Turbo startete ursprünglich mit drei Teilverbundprojekten: Der Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt „Turbotherm“ galt der Beherrschung der hohen Fluidtemperaturen am Eintritt der Turbine, die inzwischen mit 1500 Grad Celsius deutlich über der Schmelztemperatur der Materialien liegen. In „Turboflam“ befassten sich die Wissenschaftler und Ingenieure in Theorie und Praxis mit der schadstoffarmen Verbrennung, während sie in „Turbotech“ schließlich den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine dadurch zu steigern suchten, dass sie die Wirkungsgrade der Einzelkomponenten verbesserten und Vorkehrungen trafen, den Prozessdruck zu erhöhen. „Es ist sicherlich ein Verdienst der AG Turbo, dass die deutsche Industrie auf wichtigen Gebieten der Turbinentechnik heute nicht nur Schritt halten, sondern weltweit Schrittmacher sein kann“, resümiert Heinrich Weyer. Insofern sei es auch überhaupt nicht verwunderlich, dass man „uns weltweit um die AG Turbo beneidet“, denn es sei ja wirklich gelungen, „den Sachverstand unseres Landes in der Frage der klassischen Stromerzeugung zu bündeln.“ „Und neben den wirtschaftlichen Zielen, die mit der Wirkungsgradverbesserung erreicht wurden, hatten wir immer auch das ideelle Ziel im Auge, die Umweltverträglichkeit unserer fossil befeuerten Kraftwerke zu verbessern“, sagt Wolfgang Keppel und weist darauf hin, dass heute etwa 80 Prozent der in Deutschland gebauten Kraftwerksturbinen in den Export gehen. Da die wachsende Weltbevölkerung bei steigender Wirtschaftsleistung noch lange Zeit Kohle und Gas zur Stromerzeugung brauchen wird, liege es auf der Hand, Turbinen zu liefern, die hohe, weltweit normativ wirkende Umweltstandards erfüllten.

Das Ziel: Kohlendioxid verringern

Auch für die Zukunft hat sich die AG Turbo auf die Fahnen geschrieben, die noch verborgenen Potentiale des Gesamtwirkungsgrades von Kraftwerksturbinen zu erschließen. Weiterhin heißt die Devise, neue Materialien zu entwickeln, die Prozesstemperaturen zu erhöhen, Strömungsverluste zu minimieren und die Kühlungssysteme der heißen Komponenten zu verfeinern. Aber es sind auch neue Ziele hinzugekommen: „Man wird versuchen, die Emission von Stickoxiden praktisch zu vermeiden“, sagt Heinrich Weyer, „und ebenso versuchen, mit geeigneter Technik das Treibhausgas Kohlendioxid aus dem Abgas der Kraftwerke abzuscheiden und von der Atmosphäre zu separieren; hier werden verschiedene Optionen verfolgt.“ COORETEC laute das Kürzel für den neuen BMWi-Forschungsschwerpunkt des emissionsarmen fossil befeuerten Kraftwerks, das für CO2-Reduktions- Technologien stehe, fügt er hinzu und „dafür, dass dieses neue Forschungs- und Entwicklungsprogramm auf den Weg gekommen ist, hat die AG Turbo wichtige Grundsteine gelegt.“

entnommen aus: Turbomaschinen (Hrsg. BMWi, 2006)