SIEMENS

In der stahl-blauen Kraftwerkshalle wurde im Mai 2011 Effizienz-Geschichte geschrieben. Einen Eintrag ins Guinnessbuch der Rekorde sowie zahlreiche Umwelt- und Innovationspreise hatte der Riese bereits vorher eingeheimst. Unter anderem arbeitet er hier, im Kraftwerk Irsching Block 4 nahe Ingolstadt, das nach jahrelangem Testbetrieb seit dem 22. Juli 2011 vom Energieversorger E.ON kommerziell betrieben wird. Die Rede ist von der weltweit größten und effizientesten Gasturbine im kombinierten Betrieb – dreizehn Meter lang, fünf Meter hoch und 444 Tonnen schwer.

Sie erzielt bei einer Leistung von 375 Megawatt (MW) 40 Prozent Wirkungsgrad, in Kombination mit der Dampfturbine und dem von Siemens speziell entwickelten Abhitzedampferzeuger erreichte die Anlage im Mai 2011 den Weltrekord von 60,75 Prozent bei einer Nettoleistung von 578 MW – mehr als ursprünglich geplant war.

Damit kann das Kraftwerk die 3,4 Millionen Einwohner einer Stadt wie Berlin mit Strom versorgen. Gegenüber den bislang modernsten Kraftwerken wurde der Wirkungsgrad um 2 Prozentpunkte verbessert, was etwa 43.000 Tonnen CO₂ pro Jahr einspart – das entspricht den Emissionen von über 10.000 Mittelklassewagen mit einer Laufleistung von jeweils 20.000 Kilometern pro Jahr. Im Vergleich mit dem weltweiten Durchschnitt der installierten GuD-Kraftwerke sind es pro erzeugter Kilowattstunde sogar ein Drittel Erdgas und CO₂ weniger.

Auch die Geschwindigkeit, mit der die Gasturbine an- und abgefahren wird, erreicht bisher ungekannte Dimensionen. Nach einem Stillstand von mehreren Stunden kann die Anlage in etwa dreißig Minuten wieder auf volle Leistung hochgefahren werden. Diese Flexibilität ist neben der Umweltfreundlichkeit der zweite Trumpf des neuen GuD-Kraftwerks.

Willibald Fischer, Produktmanager der Gasturbine, erklärt: „Bei Anlagen für erneuerbare Energien, die derzeit zunehmend ans Netz gehen, reicht eine Wolke oder eine kleine Windflaute, um Fluktuationen im Netz zu verursachen. Solche Schwankungen müssen in Zukunft sehr schnell ausgeglichen werden, etwa mit GuD-Kraftwerken als Backup-Lösung. Und damit diese in ihrer Bereitschaft nicht ständig im Leerlauf fahren, ist ein schnelles Anfahren aus dem Stillstand notwendig.“

Rückgrat für Erneuerbare. Fischers Szenario ist zum Teil schon aktuell: Photovoltaik-Anlagen liefern in Bayern an sonnigen Tagen bereits über die Hälfte des benötigten Stroms – und künftig ist ein noch stärkerer Ausbau von Anlagen für erneuerbare Energien zu erwarten. Laut Fischer könnte bereits im Jahr 2020 an windigen Sommertagen mehrere Stunden lang der gesamte in Deutschland benötigte Strom aus erneuerbaren Energien kommen. Bei einer schnellen Wetteränderung müssten dann schnellstmöglich fossile Kraftwerke einspringen.

„2020 werden wir eine zusätzliche Kraftwerks-Reserve von etwa 30 bis 50 Gigawatt brauchen, das sind 20 bis 30 Prozent der heute hierzulande installierten Kraftwerksleistung. Flexible Gaskraftwerke sind dazu sehr gut geeignet, da die Investitionskosten gering sind und Gas die beste CO₂-Bilanz der fossilen Energieträger hat“, erklärt Lothar Balling, Geschäftsleiter für diese Kraftwerke.

Mehr als 750 Mitarbeiter, davon 250 Ingenieure, hatten an der Entwicklung, dem Bau und der Erprobung der SGT5-8000H und des GuD-Kraftwerks mitgearbeitet. Siemens hat über 500 Millionen Euro in die Prototypanlage investiert, bis sie an E.ON übergeben wurde.v

Um die Spitzenwerte bei Wirkungsgrad und Flexibilität zu erreichen, wurden vor allem die Gasturbine und der Gesamtaufbau konsequent neu durchdacht. So haben Ingenieure unter anderem die Betriebstemperatur der Turbine erhöht, Material und Form der Verdichter- und Turbinenschaufeln optimiert, Verluste in der Luftkühlung reduziert und Dampfkessel, Dampfturbine und Generator präzise auf die Gasturbine abgestimmt.

Den wohl wichtigsten Beitrag zum Rekordwirkungsgrad leisteten die Siemens-Ingenieure mit der Erhöhung der Verbrennungstemperatur von rund 1.400 Grad Celsius im Vorgängermodell auf etwa 1.500 Grad in der neuen Turbine. Da die Temperatur an der Oberfläche der Turbinenschaufeln entsprechend höher ist, ist ein noch besserer Hitze-Schutz notwendig. Die Schaufeln bestehen aus einer Nickelbasislegierung, die in Belastungsrichtung als Einkristall erstarrt – was sie besonders bruchfest macht. Hinzu kommt eine thermische Schutzschicht aus zwei Lagen für die Wärmeisolierung.

Zusätzlich wurden die Luftkühlungseigenschaften verbessert. Auch optimierten die Entwickler die Schaufelprofile, um Verluste durch Turbulenzen am Ende der Verdichter schaufeln zu reduzieren. Dazu simulierten sie die dreidimensionale Strömungsdynamik innerhalb des Verdichters – was eine besondere Herausforderung für Computersimulationen darstellt.

Für eine hohe Effizienz des Kraftwerks müssen außerdem alle Komponenten optimal zusammenpassen. So wurde die Dampfturbine passend auf die Abgastemperatur der Turbine ausgelegt. Der zwischengeschaltete Dampfkessel muss die große Abgasmenge der Gasturbine effizient in Dampf umwandeln – daher seine enorme Größe: Er wiegt 7.000 Tonnen und enthält Wärmetauscher mit einer Fläche von 510.000 Quadratmetern. Fischer betont: „Ein GuD-Kraftwerk muss bis ins kleinste Detail perfekt abgestimmt sein. Das ist wie bei Autos: Würde man den besten Automotor ohne passendes Fahrwerk entwickeln, wäre er nichts wert.“

Hohe Ingenieurskunst. Die kurzen An- und Abfahrzeiten erreichen Entwickler, indem sie die Gasturbine vollständig durch Luft kühlen und den Spalt zwischen Laufschaufeln und Gehäuse hydraulisch optimieren. Dies wird durch die Bewegung des Rotors um drei Millimeter erreicht. Gleichzeitig wird dadurch ein Anstreifen von Gehäuse und Schaufeln beim Schnellstart verhindert. Die Luftkühlung ist für die angestrebte Flexibilität günstiger als eine vollständige oder teilweise Dampfkühlung, da man beim Hochfahren nicht auf die Dampfproduktion warten muss.

Ein Erfolgsgeheimnis ist auch die Kombination der jeweils besten Technologien von Siemens und der 1998 mit Siemens fusionierten USFirma Westinghouse. So wurde etwa das bessere Siemens-Design des Turbinenläufers übernommen. Bei der Brennkammer hingegen setzten die Ingenieure auf das System von Westinghouse, da es sich im Prüfstand einfacher testen ließ, als die von Siemens entwickelte Brennkammer.v

Überhaupt charakterisierten ausführliche Tests die Entwicklung der SGT5-8000H. Die Kooperation mit E.ON ermöglichte die Testphase unter realen Bedingungen von 2007 bis 2009 in Irsching. Um das Verhalten der Anlage genau zu analysieren, wurden für die Probeläufe 3.000 Sensoren eingebaut, die Größen wie Druck und Temperatur, Schwingungen der Laufschaufeln, das Spiel an der Laufschaufelspitze, Strömungen, mechanische Spannungen und Drehzahlen messen. Mit den Ergebnissen wurde die SGT5-8000H feinjustiert und optimiert.

Weltweite Nachfrage. Schon gibt es weitere Kunden für die Rekordturbine: Südkorea hat eine GuD-Anlage bestellt, die ab 2012 ausgeliefert wird, und ein Energieversorger in Florida hat sechs der neuen Gasturbinen in der 60-Hertz-Version bestellt, mit denen er über den Lebenszyklus der Turbinen rund eine Milliarde Dollar an Betriebs-, Wartungs- und Investitionskosten einsparen wird.

Derzeit haben in den USA GuD-Kraftwerke einen Wirkungsgrad-Durchschnitt unter 40 Prozent. Würden alle diese Anlagen auf die neue Gasturbine von Siemens setzen, entstünde pro Jahr so viel zusätzlicher Strom, wie ihn 25 Millionen Amerikaner verbrauchen – ohne zusätzliche CO₂-Emissionen zu verursachen. Um auch die 60-Hertz-Turbinen ausgiebig testen zu können, hat Siemens das Prüffeld im Berliner Gasturbinenwerk für über 17 Millionen Euro erneuert und vergrößert. Dort wird seit Juli 2011 eine Turbine für den Kunden aus Florida intensiv geprüft.

Die Weltrekordjäger von Siemens sind fest entschlossen, ihre Trophäe auch in Zukunft im eigenen Unternehmen behalten zu können: „Ich erwarte, dass wir in fünf Jahren mit einer noch heißeren und größeren Turbine den Wirkungsgrad der GuD-Anlage nochmal um einen weiteren Prozentpunkt verbessern können, um die Technik noch wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu machen“, erklärt Balling.