Antriebstechnik 15.12.2006, 19:25 Uhr

Klimawandel gibt Turbinen Schub  

VDI nachrichten, Köln, 15. 12. 06, mg – Erfolgsstorys sind selten geworden in Deutschland. Für die deutschen Turbinenhersteller gilt das nicht. Sie wollen Turbinen made in Germany zum Herzstück hocheffizienter und CO2-armer Kraftwerke machen.

Ob Kohle, Gas oder Öl, ob Kernkraft, Biomasse oder Geothermie – Turbinen sind im Verbund mit Generatoren unverzichtbar, um daraus Strom zu erzeugen. 80 % der Elektrizität werden weltweit mit thermischen Turbomaschinen produziert. Davon stammen viele aus Deutschland. Die deutschen Turbinenhersteller haben einen Weltmarktanteil von rund einem Drittel und setzten 2005 fast 14 Mrd. € um. Acht von zehn Turbinen gehen ins Ausland, zurzeit vor allem nach Asien und in den pazifischen Raum. „Es ist schön, wenn man mal eine Erfolgsstory erzählen kann“, sagte Dr. Dirk Goldschmidt, Turbinenentwickler im Siemens-Bereich Power Generation (PG), letzte Woche bei einem Seminar in Köln, das der Forschungsverbund AG Turbo durchführte.

Der Erfolg fiel nicht vom Himmel. Innerhalb der letzten 20 Jahre haben die Hersteller ihre Turbinen auf Vordermann gebracht. Ingenieure verbesserten die Aerodynamik, entwickelten wirkungsvollere Kühlsysteme und eine schadstoffarme Vormischverbrennung, außerdem optimierten sie die Werkstoffe, damit Turbomaschinen Temperaturen bis zu 1400 °C aushalten können. Resultat: Anfang der 80er Jahre lag der Wirkungsgrad bei stationären Gasturbinen bei 30 % – heute bei 38 %. Kraftwerke mit Gas- und Dampfturbinen (GuD-Anlagen)hatten damals 45 % Wirkungsgrad, heute 58 %. Moderne Turbomaschinen sind nicht viel größer als früher, leisten aber das Drei- bis Vierfache. Nicht zuletzt wurden ihre Stickoxidemissionen, die zum sauren Regen und zum Sommersmog beitragen, um 90 % reduziert.

Neuerdings interessieren sich die Turbinenentwickler aber nicht mehr nur für Schaufelgeometrien und Verdichterleistung, sondern für Klimawandel und CO2-freie Kraftwerke. „Wenn wir Kohlekraftwerke bauen wollen, die kein CO2 mehr ausstoßen, brauchen wir noch effizientere Turbinen und Kompressoren“, betonte in Köln Prof. Sigmar Wittig, Vorstandsvorsitzender des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR).

CO2-freie Kohlekraftwerke gibt es nur in Verbindung mit der so genannten Sequestrierung. Dabei wird das klimaschädliche Gas vor oder hinter der Feuerung abgetrennt und unterirdisch in geeignete Lagerstätten verpresst. Für die Abscheideverfahren, für Komprimierung, Transport und Verpressung von CO2 aber werden Turbinen und Verdichter benötigt, die mit bisher unüblichen Arbeitsmedien und -gemischen zurecht kommen müssen. Dafür, so Wittig, „muss klar sein, dass dies erhebliche Forschungsanstrengungen und neue Technologien erfordert“.

Denn die Sequestrierung hat einen großen Nachteil: Sie verbraucht selbst viel Energie, so dass ein Kraftwerk schätzungsweise 5 % bis 14 % seines Wirkungsgrades einbüßt. Selbst ein hochmodernes GuD-Kombikraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 60 %, wie es PG derzeit am Standort Irsching plant, fällt damit auf den Entwicklungsstand vor 15 Jahren zurück.

Ein Ausweg aus dem Dilemma: Gas- und Dampfturbinen müssen noch effizienter werden. Jedes Prozent mehr Wirkungsgrad senkt den Brennstoffbedarf und damit die CO2-Emissionen des Kraftwerks. PG testet beispielsweise Schaufeln mit neuer Geometrie, die im Kompressor höhere Wirkungsgrade als bisher ermöglichen. Am DLR-Institut für Verbrennungstechnik entwickeln Forscher besonders emissionsarme Brennkammern für Gasturbinen. Mehrere Hochschulen und Unternehmen arbeiten daran, Luftzuführung und Schaufelinnenkühlung zu optimieren. All das gelingt dank moderner Simulationsverfahren, die es beispielsweise ermöglichen, die dreidimensionale Strömung in kompletten Kraftwerkskomponenten präzise vorauszuberechnen.

Prof. Jörg Säume von der Universität Hannover sieht noch andere Wege zum CO2-freien Kraftwerk. „Neben der Optimierung heutiger Turbinentechnik“, sagt der Leiter des Instituts für Turbomaschinen, „müssen wir über ganz neue Kraftwerksprozesse mit anderen Brennstoffen und geringeren Emissionen nachdenken.“ Beispielsweise darüber, wie wasserstoffreiches Synthesegas oder Biogas genutzt werden können. Oder ob das alte Prinzip der Kohlevergasung für moderne Kraftwerke taugt. Die Energieversorger RWE, Vattenfall und E.on sehen das ähnlich. Sie haben im Laufe von 2006 mit Planungen für Pilotanlagen begonnen, die neue Prozesse erproben. Aber auch hier werden Kompressoren und Turbinen das Herzstück der Stromerzeugung bleiben.

Turbinenentwicklung braucht einen langen Atem, einen noch längeren benötigt scheinbar der Markt. Noch sind weltweit erst wenige der hocheffizienten Turbomaschinen installiert. „Wir nutzen die zur Verfügung stehende Technologie nicht genug“, kritisiert Helmut Geipel, Ministerialrat im Bundeswirtschaftsministerium. Goldschmidt hat nachgerechnet: Würden alle Kohlekraftwerke weltweit durch Technologie mit einem Wirkungsgrad von 58 % ersetzt, könnte man damit 1,7 Mrd. t CO2 jährlich einsparen – das entspricht fast der Hälfte der Menge an Kohlendioxid, die alle 25 EU-Staaten zusammen im vergangenen Jahr ausgestoßen haben. CHRISTA FRIEDL

Versorger wollen mit Pilotanlagen neue Prozesse erproben

Von Christa Friedl
Von Christa Friedl

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