SIEMENS

Marathonläufer Stephen Kiprotich, Olympiasieger von 2012, wiegt nur 56 Kilo, seine Lunge umfasst jedoch mit acht Litern das doppelte Volumen der eines Durchschnittsbürgers. Damit setzt er Energie sehr effizient in Bewegung um. Usain Bolt, Weltrekordhalter über 100 Meter, wiegt hingegen 38 Kilo mehr als Kiprotich – Muskelmasse, die er für schnelles Beschleunigen benötigt.

Doch moderne Kohle- und Gaskraftwerke sollen sowohl in Effizienz wie in Dynamik glänzen. Denn jedes Zehntelprozent Effizienzgewinn spart bei einem Großkraftwerk bis zu 7.000 Tonnen CO₂ pro Jahr – oder es produziert bei gleichem Ressourceneinsatz sieben Gigawattstunden mehr Strom. Gleichzeitig sollen wegen des wachsenden Stromanteils erneuerbarer Energien fossil befeuerte Kraftwerke flexibler sein. Denn herrscht bei wolkenbedecktem Himmel Flaute, sollen sie so rasch wie möglich volle Leistung erreichen.

Kraftwerksneubauten werden Effizienz und Dynamik bereits in die Wiege gelegt. Moderne Steinkohle-Kraftwerke arbeiten mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 46 Prozent – 15 Prozent mehr als der weltweite Durchschnitt des Kraftwerksparks. Kombinierte Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD) kommen sogar auf über 60 Prozent. In den letzten fünf Jahren wurden zwar Kohlekraftwerke mit über 350 Gigawatt (GW) Leistung hinzugebaut, der weltweite Bestand liegt aber bei 1.600 GW. In manchen Ländern ist das Verhältnis von Alt zu Neu noch ungünstiger: So sind mehr als 80 Prozent aller Kohlekraftwerke in Russland älter als 20 Jahre. Ihre Effizienz beträgt teilweise nur 23 Prozent, pro Kilowattstunde wird also doppelt so viel CO₂ wie notwendig ausgestoßen.

Der Unterschied zwischen Alt und Neu basiert vor allem auf zwei Faktoren: der maximalen Dampftemperatur, die bei modernen Anlagen mehr als 600 Grad Celsius betragen kann – wohingegen der Bestand meist 500-Grad-Kraftwerke sind. Die Spitzentemperaturen so weit zu erhöhen, würde jedoch einen kompletten Neubau bedeuten. Anders sieht es beim zweiten Faktor aus: den Turbinen. Sie werden ohnehin alle 20 bis 25 Jahre generalüberholt. „In den USA werden seit dem Jahr 2000 allein durch die Modernisierung von mehr als 100 Dampfturbinen über 20 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr eingespart”, berichtet Steve Welhoelter, der von Orlando aus die weltweiten Service-Aktivitäten für Siemens Energy koordiniert. Im Schnitt konnten die sanierten Kraftwerke ihre Stromproduktion um vier Prozent erhöhen – bei gleichem Brennstoffeinsatz. Das Potenzial ist groß, denn in Kraftwerken sind weltweit 2.100 Dampfturbinen von Siemens im Einsatz.

Das Kohlekraftwerk Ibbenbüren nahe Münster gewann durch eine von Siemens koordinierte Generalüberholung sogar mehr als zehn Prozent der Maximalleistung. Die 1985 in Betrieb genommene Anlage arbeitet mit einer Dampftemperatur von 530 Grad, ein typischer Vertreter ihrer Zeit. 2006 wurden die Wartungsspezialisten von Siemens beauftragt, mit dem Betreiber RWE zu analysieren, welche Verbesserungspotenziale bestehen. Ein Gesamtkonzept sollte das betriebswirtschaftliche Optimum identifizieren. Schließlich wurde eine 2009 ohnehin anstehende Wartungspause genutzt, um Dampfturbinen und Wärmetauscher zu überholen. Bei den fünf Turbinen für Hoch-, Mittel- und Niederdruckkreislauf wurden alle innenliegenden Bauteile ausgetauscht. Die neuen Komponenten, etwa asymmetrisch geformte Schaufeln, führen zu wesentlich geringeren Strömungsverlusten. Bei der Hochdruckturbine trägt ein neues Dichtungskonzept dazu bei, dass der Spalt zwischen Rotor und Gehäuse kleiner ausfällt – bis zu 30 Prozent weniger Dampf strömt ungenutzt an der Turbine vorbei.

72 Tage lag das Kraftwerk für die Modernisierung still, seitdem leistet es bis zu 86 Megawatt (MW) mehr. „Gerade für Regionen, in denen Neubauten mit langen Genehmigungszeiten verbunden sind, ist so eine Generalüberholung ein gutes Mittel, um zusätzliche Kapazitäten zu schaffen“, erläutert Dr. Norbert Henkel, bei Siemens verantwortlich für die globale Vermarktung solcher Projekte. „Zudem steigern wir die Zuverlässigkeit und verlängern die Lebensdauer um 20 bis 25 Jahre.“

Doch nicht nur die Effizienz bei Volllast steht im Fokus. Denn wegen der starken Einspeisung erneuerbarer Energien laufen große Kohlekraftwerke häufig im Teillastbetrieb. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad, da jede Turbine auf einen idealen Betriebspunkt – meist 95 Prozent der Nennleistung – ausgelegt ist. „Gelingt es, diesen Punkt etwas zu verschieben, kann man nicht nur den Wirkungsgrad verbessern, sondern auch die Zeit halbieren, die ein Kohlekraftwerk für das Hochfahren benötigt“, erläutert Henkel. Moderne Anlagen schaffen Gradienten von bis zu sechs Prozent ihrer Nennleistung pro Minute – bei GuD-Kraftwerken sind es sogar acht Prozent.

Gas rund um die Uhr. Gelten Gaskraftwerke in Deutschland wegen ihrer hohen Flexibilität als ideale Ergänzung erneuerbarer Energien, verdrängen sie in den USA aus anderem Grund die Kohlekraftwerke: Sie produzieren billigen Strom, da der Gaspreis zunehmend fällt. Grund ist die gestiegene heimische Gasförderung aus unkonventionellen Quellen – vor allem Schiefergas. Deckten Gaskraftwerke früher hauptsächlich die höhere Stromnachfrage am Tag ab, laufen viele von ihnen nun rund um die Uhr. Die steigende Zahl an Betriebsstunden macht es für Betreiber attraktiver, in die Überholung ihrer Gasturbinen zu investieren. „Wir erwarten ab 2015 einen deutlichen Aufschwung in diesem Marktsegment“, prognostiziert Welhoelter.

Was ein solches Update bringen kann, zeigt das Kraftwerk Klamath in Oregon. Seit 2009 und 2010 beide Turbinen überarbeitet wurden, stieg die Leistung um 30 auf 563 MW. Zudem konnte die Flexibilität der Anlage gesteigert und der mit Lastwechseln verbundene Brennstoff-Mehrverbrauch halbiert werden. Damit der Betrieb bei niedrigen Lasten nicht zu höherem Schadstoffausstoß führt, wurde vor der Turbine ein neues Luftzuführungssystem installiert. Vor dem Eintritt in die Gasturbine wird die Frischluft jetzt mit Abwärme der Turbine vorgeheizt. Die Verbrennung verläuft bei höherer Temperatur und dadurch vollständiger. Die übrigen Maßnahmen unterscheiden sich nicht wesentlich von der Optimierung von Dampfturbinen: Es gilt, die Strömungsverluste zu minimieren. Auch hier sind die Form der Schaufeln und die Dichtungen entscheidend.

Aber auch GuD-Kraftwerke können noch flexibler werden, wenn der im Vergleich zur Gasverbrennung relativ träge Dampfkreislauf schneller in Schwung kommt. Darüber denkt Siemens-Ingenieur Erich Schmid schon mehr als ein Jahrzehnt lang nach. 138 Einzelpatente brachten ihm die Auszeichnung „Siemens- Erfinder des Jahres 2012“ ein. Kern seiner Ideen: Die Wärme bei Bedarf schneller zu transportieren. Etwa indem ein Überlastventil an der Turbine kurzzeitig öffnet und in Folge des absinkenden Drucks mehr Dampf aus dem Kessel abgezogen wird. Oder indem die Hochdruckturbine nach dem Start zunächst gar nicht mit Dampf versorgt wird, sondern über eine Umleitung erst die Mitteldruckturbine auf Leistung gebracht wird. Mithilfe solcher Maßnahmen soll die Leistung einer GuD-Anlage künftig pro Minute um mehr als 30 MW steigen können. „Im Prinzip benötigt man nur einige Ventile, einige Rohre und viel Software“, erläutert Schmid. „Daher lassen sich solche Systeme gut nachrüsten.“

Kraftwerksmodernisierung ist auch für die wachstumsstarken Schwellenländer wie China, Indien und Russland wichtig, denn dort erreicht die erste Kraftwerksgeneration bereits das Ende ihrer Laufzeit. „Eine riesige Chance für uns“, meint Henkel. Zunehmend modernisiere man nicht nur die einst selbst gelieferten Turbinen, sondern auch die fremder Hersteller. Oder ersetzt diese gleich vollständig, wie bei Block 6 des Kraftwerks Kirishi in der Nähe von Sankt Petersburg. Mit zwei neuen 279-MW-Turbinen, einem neuen Leitsystem und der Überholung des Dampfkreislaufes konnte Siemens die Gesamteffizienz des Kraftwerks von 38 auf 55 Prozent steigern. Marathonläufer mit Sprinterqualitäten werden eben rund um den Globus gebraucht.