Energietechnik 18.03.2011, 19:52 Uhr

Neue Werkstoffe verbessern Wirkungsgrade von Kraftwerken

Weltweit steigt die Nachfrage nach effektiveren und CO2-ärmeren Energieumwandlungstechnologien. Deshalb setzt die Bundesregierung, um ihre Klimaschutzziele zu erreichen, bei der Stromerzeugung stark auf den Ausbau der erneuerbaren Energien. Weil diese aber nicht immer zur Verfügung stehen, bleibt der Einsatz fossiler Energieträger unabdingbar. Vor allem durch Verbesserung der Wirkungsgrade im Kraftwerksprozess durch den Einsatz neuer Werkstoffe tragen diese zu mehr Energieeffizienz bei.

Bauteile in der Energietechnik, wie Turbinenschaufeln in modernen Gas- und Dampf(GuD)-Kraftwerken, zählen zu den am stärksten belasteten Werkstoffen. Nur durch hohe thermodynamische Langzeitstabilität der Materialien in korrosiver Umgebung können Effizienzsteigerungen bei der Stromerzeugung erreicht werden. So hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Rahmenprogramm „Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft“ (WING) aufgelegt und im letzten Jahr in der „Grundlagenforschung Energie 2020+“ fortgeschrieben.

Neue oder verbesserte Werkstoffe steigern Leistungsdichten und Wirkungsgrade energetischer Umwandlungsprozesse

„Superlegierungen“, faserverstärkte Keramik, neue Hochtemperaturstähle, die Lebensdauer verlängernde Schichtsysteme: Neue oder entscheidend verbesserte Werkstoffe werden entwickelt, die aufgrund erweiterter thermischer, mechanischer, korrosiver bzw. chemischer Belastungsgrenzen Steigerungen der Leistungsdichten und des Wirkungsgrads energetischer Umwandlungsprozesse ermöglichen. Sie sollen auch zu einer deutlichen Erhöhung von Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebensdauer kritischer Komponenten beitragen.

Die Hauptanforderungen an metallische Werkstoffe für den Einsatz im Hochtemperaturbereich sind Warmfestigkeit und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit. Obwohl Chrom-Nickel-Stähle und teilweise auch ferritische Edelstähle diese Anforderungen bei Betriebstemperaturen bis 550 °C allgemein erfüllen, sollten bei Temperaturen über 850 °C hochnickelhaltige Legierungen eingesetzt werden, die teilweise selbst bei 1200 °C noch ausreichende Festigkeit besitzen.

Das gute Hochtemperatur-Festigkeitsverhalten von Nickellegierungen wird durch Zulegieren von Molybdän, Wolfram und Kobalt, die über den Mechanismus der Mischkristallverfestigung wirken, sowie über Ausscheidungshärtung durch Primär- und Sekundärkarbide erreicht. Superlegierungen können sowohl bei deutlich erhöhten Temperaturen als auch bei extremen Korrosionsbedingungen eingesetzt werden. Die treibende Kraft bei der Entwicklung dieser Werkstoffe waren die steigenden Anforderungen aus der Luftfahrtindustrie, bedingt durch höhere Temperaturen in den Turbinen.

Kohlekraftwerke: Neue Werkstoffe sollen Kraftwerkswirkungsgrad um 46 % verbessern

Neue Stähle in effizienten Kohlekraftwerken senken den CO2-Ausstoß um 25 % bis 30 %. Werkstoffe, die eine weitere Steigerung des Kraftwerkswirkungsgrades auf 46 % ermöglichen, sind bereits entwickelt und werden zurzeit für die nächste Kraftwerksgeneration erprobt. Moderne Braunkohlenkraftwerke mit optimierter Anlagentechnik (BoA) demonstrieren, wie mit neuen hochleistungsfähigen Stahlsorten im Kraftwerksbau der CO2-Ausstoß reduziert werden kann. Speziell für diesen Einsatzbereich entwickelte Stähle erfüllen besonders hohe Anforderungen an Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Korrosion.

Das BoA-Kraftwerk der RWE in Niederaußem mit einem 1000-MW-Block ist derzeit nicht nur das größte und modernste seiner Art, sondern auch das mit dem weltweit höchsten Wirkungsgrad. Erstmals wird in einem Großdampferzeuger (für die Heißdampfaustrittssammler und Heißdampfrohrleitungen) auf der Heißdampfseite ein Stahl mit 9 % Chrom, 1 % Molybdän und 1 % Wolfram eingesetzt. Die Legierung ermöglicht eine Wanddickenreduzierung der Rohre um 25 mm. Das erleichtert deren Verarbeitung beim Bau des Kraftwerks und senkt die Kosten.

ThyssenKrupp VDM, E.on und Hitachi Power Europe entwickeln Hochleistungswerkstoff „Alloy 617 B occ“

Die für Dampferzeugerwände und Abscheider verwendeten Stähle mit 9 % Chrom sowie der für Dampfüberhitzer eingesetzte austenitische Stahl mit 17 % Chrom und 13 % Nickel führen mit der neuesten Anlagentechnik zu einer Steigerung des Kraftwerkswirkungsgrads um mehr als 25 % auf über 43 %. Die Beherrschung des gesteigerten Frischdampfdrucks auf 274 bar und die höhere Frischdampftemperatur von 580 °C sowie eine Zwischenüberhitzungstemperatur von 600 °C ist nur mithilfe dieser neuen Werkstoffe möglich.

ThyssenKrupp VDM, E.on und Hitachi Power Europe haben gemeinsam einen Werkstoff entwickelt, der nach erfolgreicher Testphase ein wesentlicher Baustein für die Konstruktion fortschrittlicher 700-Grad-Kraftwerke sein wird. Der neue Hochleistungswerkstoff „Alloy 617 B occ“ (optimised chemical composition) zeichnet sich durch hohe Festigkeit und Verformbarkeit (Duktilität) bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit aus. Ab 2012 soll er parallel zu weiteren Laboruntersuchungen in Versuchsanlagen erprobt werden.

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