Energieeffizienz 10.02.2006, 18:42 Uhr

Kraftwerksbauer schrauben die Anlageneffizienz ständig höher  

VDI nachrichten, Düsseldorf, 10. 2. 06, mg – Der Energieverbrauch der Weltbevölkerung steigt ständig. Daher muss auch die Kohle mit ihren unvermeidlichen Kohlendioxidemissionen zur Bedarfsdeckung beitragen. Höhere Wirkungsgrade bei den Kraftwerken und Technologien zur CO2- Entsorgung sollen zur Verringerung des Emissionsproblems beitragen.

Der globale Energieverbrauch hat sich nach Berechnungen des Hamburgischen Welt-Wirtschafts-Archivs (HWWA) seit 1970 nahezu verdoppelt. Nach Prognosen der Internationalen Energieagentur (IEA) wird diese Entwicklung unvermindert anhalten und der globale Bedarf bis 2030 um nochmals 50 % ansteigen. Deshalb ist es mehr als wahrscheinlich, dass sämtliche Energiequellen zur Versorgung werden beitragen müssen. Das gilt auch für Kohle, die derzeit einen Anteil von 25 % hat. Den bislang unvermeidlichen Kohlendioxidemissionen stehen große Reichweiten und eine günstige weltweite Verteilung der Reserven gegenüber. Vor diesem Hintergrund gewinnen Konzepte für besonders effiziente Kohlekraftwerke oder Anlagen mit integrierter CO2-Entsorgung immer mehr an Gewicht.

Der durchschnittliche Wirkungsgrad von Kohleblöcken erreicht in Deutschland derzeit 38 %, etwa acht Prozentpunkte über dem Weltniveau. Im Vergleich dazu sollen so genannte ultra-superkritische Anlagen, die Siemens Power Generation, Erlangen, für Leistungen zwischen 600 MW und 1100 MW entwickelt hat, auf beachtliche 46 % kommen. Im Allgemeinen werden unter diesen Bedingungen Drücke von mehr als 250 bar sowie Temperaturen von über 600 °C für den Dampf (bzw. auch für den überhitzten Dampf) verstanden.

Für diese Entwicklung gibt es einen simplen Grund: Je höher die erreichten Druck- und Temperaturniveaus sind, desto höher ist auch der Wirkungsgrad. „Entsprechende Kohlekraftwerke mit höchsten Dampfparametern sind eine gleichermaßen ökonomische und ökologische Möglichkeit zur Stromerzeugung, die den derzeit besten Wirkungsgrad und damit niedrigste Emissionen in diesem Bereich realisiert“, erklärt Andreas Wichtmann, Produktmanager Dampfturbinen bei Siemens Power Generation (PG) in Mülheim an der Ruhr.

Voraussetzung für derartige Lösungen ist ein innovatives Design der Dampfturbosätze, das bezüglich der Hochtemperaturkomponenten, der Dichtungstechnik, der Beschaufelungsgestaltung und der benötigten neuen Materialien Neuland bedeutet. Der neue Turbosatz von Siemens PG besteht aus einer Hochdruck-, einer Mitteldruck- und zwei Niederdruckteilturbinen. Der durch Druck und Temperatur stark belastete Eintrittsteil des Gehäuses der Hochdruckteilturbine ist mit hoch legiertem Chromstahl (10 % Chrom) ausgeführt. Die ersten Schaufelstufen werden aufgrund der hohen Belastung aus einer Nickel-Basislegierung gefertigt. Insgesamt ist diese einflutige Turbine ohne externe Kühlung bei Dampfparametern bis zu 300 bar und 600 °C einsetzbar.

Die zweiflutige Mitteldruckturbine ist wie die anderen Teilturbinen mit modernsten Engineering-Tools über einen kompletten dreidimensionalen Ansatz optimiert worden. Beispielhaft ist hierfür die Kopplung zwischen Konstruktion (CAD, Computer Aided Design), Strömungsmechanik (CFD, Computational Fluid Dynamics) und Berechnung (FEM, Finite Element Method) zur Optimierung der Beschaufelung und Gehäusekontur anzuführen. Bei dieser Teilturbine sind Dampfparameter bis 620 °C zulässig.

Ein wichtiges Gestaltungselement, das die Materialtemperatur der Welle signifikant senkt, ist die Eingangsstufe mit der so genannten Drall-Kühlung, die eine Temperaturminderung von rund 15 °C für die Rotoroberfläche erbringt. Am „kalten Ende“ der Entspannung des Dampfes, d. h. bei den Niederdruckturbinen, geht der Trend in Richtung großer Abströmflächen. Um diese zu ermöglichen, müssen große Endstufen- schaufeln eingesetzt werden, die auf Grund der hohen Fliehkraftbelastung aus Titan gefertigt werden. Diese Schaufeln besitzen eine Blattlänge von ca. 1,4 m.

Siemens hat mit ultra-superkritischen Dampfzuständen bereits seit 2002 Erfahrung im japanischen Kraftwerk „Isogo“ gesammelt. Hier sind Parameter von 251 bar sowie Temperaturen von 600 °C/610 °C realisiert. Derzeit errichtet das Unternehmen zusammen mit dem Jointventure-Partner Shanghai Electric Company fünf 1000-MW-Anlagen in China, die 2008/2009 in Betrieb gehen sollen. Der Dampfdruck wird nochmals auf 262 bar bzw. sogar 270 bar erhöht, die Temperaturen betragen 600 °C. Auch eine Reihe von deutschen Projekten fällt in die Kategorie der ultra-superkritischen Kraftwerke. In Boxberg plant Vattenfall den Block R für diese Bedingungen, auch die zukünftige Anlage in Walsum wird sie erfüllen. „Technologisch sind wir für die ultra-überkritschen Dampfparameter, wie sie in den vorgesehenen Kraftwerksprojekten Datteln mit 1100 MW und Hamburg-Moorburg mit 2 x 800 MW realisiert werden sollen, bestens aufgestellt“, benennt Wichtmann die nächsten Projekte dieser Art, die zur Vergabe anstehen.

Effizienzsteigerung ist eine Möglichkeit, die Kohlendioxid-Freisetzung aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu drosseln, eine noch weitergehende ist das Null-Emissions-Kraftwerk. Grundsätzlich gibt es drei Ansatzpunkte der CO2-Abscheidung: nach, vor und während der Verbrennung. Gemäß der dritten Option, Oxyfuel-Verfahren genannt, will Vattenfall am Standort Schwarze Pumpe bis 2008 eine Pilotanlage mit 30 MW errichten. Das 40 Mio. € teure Projekt soll beweisen, dass der Prozess für ein Demonstrationskraftwerk mit einer Leistung zwischen 250 MW und 600 MW tauglich ist. Oxyfuel meint die Verbrennung von Braunkohle mit einem Gemisch aus rückgeführtem Rauchgas und reinem Sauerstoff, wobei das CO2 in flüssiger Form anfällt und abtransportiert werden kann. „Der kommerzielle Einsatz kann aber wohl erst 2020 erfolgen“, so Vattenfall-Vorstandschef Lars Josefsson. Bis dahin sind Öl und Gas womöglich so teuer, dass Abscheidungstechnologien sogar wirtschaftlich sind.

KLAUS JOPP

Hohe Dampfwerte führen zur Wirtschaftlichkeit

Pilotanlage soll Null-Emission erproben

Von Klaus Jopp
Von Klaus Jopp

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