Kraftwerke 11.06.2010, 19:47 Uhr

Knackpunkte sind die geschweißten Komponenten

In Amsterdam traf sich diese Woche (8. bis 10. Juni) die europäische Kraftwerksbranche zur Powergen Europe 2010. Beim Bau neuer Anlagen klagt mancher Energieerzeuger über Qualitätsmängel, die Anbieter indes über einen harten Preiskampf. VDI nachrichten sprachen über den Status quo im Kraftwerksbau mit Hans Christian Schröder, Branchenmanager Kraftwerke bei der TÜV SÜD Industrie Service GmbH in Mannheim.

VDI nachrichten: Mancher Energieversorger beklagt einen zunehmenden Qualitätsverlust im Kraftwerksbau. Was können Sie beobachten?

Hans Christian Schröder: Bei Komponenten im Kraftwerks- und Anlagenbereich kommt es häufiger zu Qualitätsproblemen, das ist richtig. Grund ist der steigende Wettbewerbs- und Kostendruck im Kraftwerksbau.

Während der Fokus früher eher auf den Hauptkomponenten wie Kessel, Turbinen, und Rohrleitungen lag, müssen heute verstärkt auch untergeordnete Komponenten geprüft werden, etwa Entschlacker, Kohlezuteiler oder der Stahlbau.

In der Praxis beginnen die Schwierigkeiten oft schon mit der Definition der Qualitätsanforderungen. Diese müssen frühzeitig auf die späteren Betriebsbedingungen abgestimmt werden. Also auf Parameter wie die Fahrweise oder die konstruktive Ausführung – unter Berücksichtigung geeigneter Regel- und Steuerkonzepte für die Gesamtanlage.

Was sind bei der Kraftwerksgeneration, die aktuell gebaut wird, in puncto Qualität die größten Herausforderungen?

Die größte Herausforderung liegt in einem „bedarfsgerechten“ Engineering auf Basis einer definierten Betriebszeit und hohen Verfügbarkeit. Umfassende anlagenspezifische Lebenszykluskosten- und Risikoanalysen decken hierbei die Spielräume auf, in denen Optimierungen möglich sind. Diese stecken auch den Kostenrahmen für eine optimale Qualität ab.

Die neue Kraftwerksgeneration verfügt über wesentlich geringere Auslegungsreserven, womit die Bedeutung ganzheitlicher Systembetrachtungen wächst. Auch ein baubegleitendes Qualitätscontrolling wird immer wichtiger, weil die ertragbaren Qualitätsabweichungen abnehmen.

Generell gilt: Eine gewünschte Qualitätsstufe muss frühzeitig planerisch berücksichtigt werden, denn sie lässt sich nicht nachträglich „erprüfen“. Auch Zertifizierungen sind nicht immer Garanten für eine vertragskonforme Qualität. Oft wird übersehen, dass beispielsweise Normen wie die DIN EN ISO 9001 nicht die Produktqualität, sondern primär den Organisationsablauf eines Unternehmens zertifizieren.

Neue Kohlekraftwerke sollen mit Betriebstemperaturen bis 700 °C gefahren werden. Was sind die Folgen im Hinblick auf Qualität und Lebensdauer?

Der mit höheren Dampfdrücken und -temperaturen gesteigerte Wirkungsgrad von Kraftwerken bedeutet auch höhere Belastungen. Das reduziert zwangsläufig die Lebensdauer im Vergleich zu bisherigen Kraftwerkskonzepten. Neue hochwarmfeste Werkstoffe müssen entwickelt und auf die spezifischen Anforderungen maßgeschneidert werden. Damit dürften die Kosten für Material, Herstellung und die Qualitätssicherung im Kraftwerksbau steigen.

Noch existieren im Kraftwerksbau kaum Langzeiterfahrungen für neue Werkstoffe wie hochlegierte Sonderstähle auf Nickelbasis. Das gilt vor allem für geschweißte Komponenten wie Rohre, Ventile oder Verbindungsteile und die eingesetzten Schweißzusätze. So ist bei erhöhten Betriebstemperaturen ein schnellerer Lebensdauerabfall bei der Schweißung zu erwarten.

In bisherigen Konzepten basierte die Auslegung von Schweißverbindungen auf den Zeitstandwerten für Grundwerkstoffe. Im Gegensatz zu den Grundwerkstoffen liegen bei den Schweißzusätzen noch kaum Versuchsdaten vor. Daher kann eine Gleichwertigkeit hinsichtlich der Festigkeitskennwerte von Schweißgut und Grundwerkstoff nicht mehr angesetzt werden.

Welche Lösungen bieten sich?

Mit geeigneten Tools wie der Analyse von Lebenszykluskosten (LCC: Life Cycle Cost) lässt sich die Investition in eine Hochtemperaturtechnologie im Einzelfall reproduzierbar bewerten. Startet ein 700-Grad-Projekt, ist ein ganzheitliches Prüfkonzept erforderlich, dass alle Einflussfaktoren auf die Komponenten offenlegt. Ausgehend davon bewerten wir die Plausibilität des Gesamtsystems.

Die darauf aufbauende Lösung klingt einfacher, als sie tatsächlich ist: Kein Bauteil darf über die im Design festgelegte Toleranz hinaus beansprucht werden. Dabei kommt der Planung eine besondere Verantwortung zu. Sie muss die Zusammenhänge zwischen betrieblichen Anforderungen, dem Fehlerstatus und üblichen Alterungsvorgängen immer besser in Einklang bringen.

Asiatische Zulieferer sollen im Kraftwerksbau einen immer größeren Anteil einnehmen. Was beobachten Sie?

Globalisierte und deregulierte Märkte bieten immer mehr Chancen, die Bezugskosten von Komponenten zu optimieren. Das gilt nicht nur für den asiatischen Raum. Allerdings ist diese Strategie mit zusätzlichen Risiken verbunden. Hohe Qualität zum kleinen Preis ist allein schon aufgrund marktwirtschaftlicher Gesetzmäßigkeiten eher selten. Wenn überdies die vereinbarten Qualitätsanforderungen nicht erfüllt werden, drohen erhebliche Folgekosten und Verzögerungen im Kraftwerksbau.

Die Betriebssicherheit in Kraftwerken ist bezogen auf SHE (Safety, Health & Environment) nicht direkt von Qualitätsproblemen bei Komponenten betroffen. Komponenten werden bei der Herstellung und vor ihrem Einsatz auf Basis der geltenden Regelwerke wiederkehrend geprüft. Hier geht es primär um Einbußen bei der Verfügbarkeit und erhöhte Reparaturkosten.

Ein weiteres Problem ist der Verlust an Know-how. Aufgrund des Kostendrucks auf die Hersteller wurden Aufträge zu geringen Margen eingekauft und in kostengünstigere Fertigungswerkstätten verlagert. Damit sind auch Wissen und Erfahrung beim Herstellungsprozess abgewandert.

Retrofit oder Neubau bei Kohlekraftwerken – welche Lösung wäre unter Qualitätsgesichtspunkten zu bevorzugen?

Retrofit-Maßnahmen an bestehenden Anlagen bieten, wie auch neue Kraftwerkskonzepte, die Möglichkeit, mehr Energie aus der Kohle herauszuholen. Zentral sind in beiden Fällen eine frühzeitige integrierte Wirtschaftlichkeitsanalyse und eine auf das Projekt abgestimmte begleitende Qualitätssicherung.

Sowohl bei Retrofit-Maßnahmen als auch beim Neubau machen die zahlreichen Schnittstellen komplexer System- und Komponentenlösungen umfassende Lösungsansätze erforderlich. Für eine hohe Qualität der späteren Anlagenprozesse ist ein begleitendes Qualitätscontrolling in beiden Fällen mehr als sinnvoll. Ein erfahrener Partner hilft, Mängel systematisch zu minimieren – von der Entwurfsphase über die Bauausführung bis hin zur Abnahme vor Inbetriebnahme der Anlage.

Um die CO2-Emissionen zu senken, verfeuern Kohlekraftwerksbetreiber auch organische Materialien wie Pellets. Welches Potenzial hat diese Methode? Inwieweit verlangt sie eine Modifikation bestehender Kraftwerke beziehungsweise eine andere Planung beim Neubau von Kraftwerken?

In Kohlekraftwerken lässt sich nur ein bestimmter Brennstoffanteil an Biomasse für „Co-Firing“ einbringen. Diese regenerativen Brennstoffe werden dem Betreiber meist kostenneutral zur Verfügung gestellt.

Vorteile sind neben dem verminderten CO2-Ausstoß zum einen, dass die anlagenspezifischen Investitionskosten für eine Großanlage geringer sind als bei kleineren Heizkraftwerken. Zum anderen entfallen lange Lieferwege, wenn eine vorhandene Biomasse-Infrastruktur genutzt werden kann. Dem gegenüber stehen der geringere Heizwert und die notwendigen verfahrenstechnischen Anpassungen, beispielsweise bei der Rauchgasführung.

Biomasse erhöht die Rauchgasmenge aufgrund ihres höheren Wasseranteils und enthält Gehalte an korrosiven Elementen wie Chlor oder Alkalien, die auf den Katalysator wirken und die Entstickung vermindern könne. Andere Parameter wie Aschequalitäten und niedrigere Asche-Erweichungstemperaturen sind weitere Punkte.

Biomasse muss demnach so aufbereitet werden, das sie im Feuerraum ähnlich schnell verbrennt wie der eingebrachte Kohlenstaub. Auch Risiken durch Korrosion und Verschlackungen im Feuerraum muss verfahrenstechnisch vorgebeugt werden. Eine veränderte Aschequalität kann darüber hinaus die Abnahmen als Zulieferprodukt für die Zementindustrie erschweren.

Ähnliche Probleme hat es jedoch bereits bei der Einführung von Klärschlamm als Co-Firing-Produkt gegeben. Selbst bei einem verstärkten Einsatz von Biomasse sind die Herausforderungen vom Engineering her beherrschbar. Da allerdings schon heute Nutzungskonkurrenzen um Biomasse auftreten, ist das Potenzial beim Co-Firing kritisch zu bewerten.

STEPHAN W. EDER

Von Stephan W. Eder
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