Energieversorgung Höhere Wirkungsgrade
Die Macht der kleinen Schritte
Kraftwerksturbinen leisten immer mehr und verbrauchen dabei immer weniger Kohle oder Gas. Ein Ende des Fortschritts ist noch nicht in Sicht, doch der Aufwand steigt.
Moderne Turbinenschaufeln sind ein Meisterwerk an Präzision: Ihre dreidimensionale Formgebung wird am Computer optimiert, und vor zu hohen Temperaturen schützen sie winzige Kühlkanäle und neue Materialien für Beschichtungen oder Legierungen
Der massive silbrige Klumpen sieht aus wie eine Kreuzung aus Oscar, Bambi, Echo und den vielen anderen Film-, TV- und Musikpreisen, mit denen Künstler alljährlich überhäuft werden: schwer und wertvoll, aber irgendwie deformiert. Preiswürdig ist das Teil nicht, das bei Siemens in Mülheim an der Ruhr zu Tausenden in der riesigen Werkshalle gefräst wird, dafür aber rekordverdächtig: Zu metergroßen Kränzen auf dicke Stahlachsen gefädelt, verhelfen die handtellergroßen bis armlangen Schaufeln den Siemens-Turbinen zu einem Wirkungsgrad, der weltweit Spitze ist: 48,5 % bei reinen Dampfturbinen und 58 % bei einem kombinierten Gas-und Dampfturbinenkraftwerk. Schon bei den nächsten geplanten Anlagen sollen die 50- beziehungsweise 60-Prozent-Marke fallen.
Das klingt nicht viel, wäre aber ein großer Schritt in einem Geschäft, bei dem sich Ingenieure beim Wirkungsgrad um zehntel Prozent vortasten müssen. Die Steigerung des Wirkungsgrades ist kein Selbstzweck: Bei den so genannten kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GUD), bei denen eine Gas- und bis zu fünf Dampfturbinen noch das letzte Quäntchen Energie ausnutzen entfallen hierzulande 65 % der Kosten aus Anschaffung, Wartung und Brennstoff auf das Erdgas. Steigt der Wirkungsgrad, sinkt auch der Verbrauch und weniger Treibstoffverbrauch bedeutet immer auch weniger Schadstoff-Ausstoß. "Wenn wir den Kyoto-Vertrag erfüllen wollen, kommen wir um den Bau möglichst vieler GUD-Kraftwerke nicht herum", betont Bernhard Becker, der bei Siemens die Gasturbinen-Entwicklung verantwortet.
Handarbeit ist hier noch gefragt: Zu Hunderten werden die handtellergroßen bis armlangen Schaufeln auf den Stahlachsen der Kraftwerksturbinen befestigt
Den Schaufeln kommt bei der Steigerung des Wirkungsgrads eine wichtige Rolle zu: Sie müssen die Energie möglichst komplett in den Antrieb des Generators umsetzen und überdies immer höhere Temperaturen aushalten. Die Besonderheit der Siemens-Schaufeln wegen ihrer dreidimensional verzerrten Kontur von Fachleuten als 3DS-Schaufeln bezeichnet liegt in ihrer Form, die nichts mehr gemeinsam hat mit den Vorgängern vor 30 Jahren, die im Prinzip wie die Turbinenblätter eines Düsenjets aussahen. Die krumme Kontur der Schaufeln kommt aus dem Rechner: Computer Fluid Dynamics, kurz CFD, lautet das Zauberwort. In Hochleistungsrechnern werden Gas und Dampf virtuell durch die Turbine gejagt und Strömungsverlauf, Thermodynamik und Kräfte berechnet neuerdings sogar für jeden Schaufelkranz in der Turbine getrennt. "Damit erreichen wir einen um 2 % höheren Teilturbinenwirkungsgrad", freut sich Uwe Hoffstadt, der für die Dampfturbinen-Entwicklung zuständig ist. Diese neueste Schaufelgeneration namens "3DV" wird erstmals im RWE-Kraftwerk Niederaußem eingesetzt, das dieses Jahr in Betrieb geht.
CFD kann noch mehr: Die ganze Aerodynamik in den Rohren und Ventilen einer Turbinenanlage lässt sich damit optimieren und die Reibungsverluste des strömenden Mediums verringern, z.B. durch Leitbleche und Dampfsiebe. "Bei der Aerodynamik liegt der Wirkungsgrad schon bei 92 %", verrät Bernard Becker. "Zwei bis drei Prozentpunkte sind vielleicht noch drin."
Auch an anderen Stellen wurde in den vergangenen Jahren in kleinen Schritten der Wirkungsgrad verbessert: So sorgen eine spiralförmige Einströmung für die optimale Dampfversorgung in der Turbine und verbesserte Dichtspitzen für eine Verringerung der Dampfverluste an den äußeren Schaufelenden. Ein Wärmeschutzmantel senkt die Wärmeverluste und garantiert eine gleichmäßige rotationssymmetrische Wärmeverformung des Turbinengehäuses, eine Drallkühlung expandiert den Dampf vor der ersten Schaufelreihe die Turbinenbauer arbeiten mit allen Tricks, um ein paar zehntel Prozent im Wirkungsgrad heraus zu kitzeln.
Hochleistungsrechner simulieren, wie Dampf und Gase durch die Turbinen strömen und welche Kräfte sie auf die Schaufeln ausüben. Mit diesen Methoden der Computer Fluid Dynamics lassen sich dann die Turbinen optimieren
Wie effizient eine Turbine mit dem Brennstoff umgeht, hängt insbesondere von der Thermodynamik ab. Die im Generator erzeugte Nutzenergie kann nämlich nicht größer sein als die Energiedifferenz des Gases oder Dampfs zwischen Einlass und Auslass der Turbine. Triebe man die Einlasstemperatur unendlich hoch, hätte man eine Turbine mit einem Wirkungsgrad von 100 %.
Doch das geht nur auf dem Papier. In der Realität versucht man die Einlasstemperatur in kleinen Schritten zu steigern, bei Gasturbinen von 1100 °C auf 1230 °C (Kühlluft und Heißgas gemittelt) vom Jahr 1992 bis heute. Weil damit aber auch die Auslasstemperatur steigt und thermodynamisch nichts gewonnen wäre, nutzt man die restliche Energie im GUD-Kraftwerk zur Dampferzeugung. Diese Energie wird in nachgeschalteten Hochdruck-, Mitteldruck- und mehreren Niederdruck-Dampftubinen umgesetzt, wodurch der Dampf am Ende auf 45 °C abkühlt was sogar zu wenig für die Verteilung über ein Fernwärmenetz ist. Damit stieg der Wirkungsgrad seit 1992 von 52 auf 58 %. "Mehr als 70 % sind rein rechnerisch nicht machbar", nennt Becker die obere Grenze. In Kohlekraftwerken, wo nur Dampfturbinen laufen, liegt der Rekord bei 48,5 % vor 25 Jahren waren es nur 40 %. "50 % sind sicher drin", verspricht Uwe Hoffstadt. Diese Marke soll schon dieses Jahr in Niederaußem fallen.
Gemeinsam stark: Gas- und Dampfturbinen
Gasturbine: Wird mit Gas befeuert. Einlasstemperatur 1550 °C (die Schaufeln müssen gekühlt werden), Der Druck liegt bei 17 bar, der Wirkungsgrad bei 38 %.
Dampfturbine: Der Kessel zur Dampferzeugung wird mit Kohle oder Öl befeuert. Einlasstemperatur 600 °C, Druck 270 bar, Wirkungsgrad-Weltrekord: 48,5 % (Kraftwerk Boxberg, Leistung: 907 MW, Siemens-Turbine).
GUD-Kraftwerk: Kombination aus einer Gasturbine, deren Resthitze einen Kessel heizt und bis zu fünf Dampfturbinen versorgt. Wirkungsgrad-Weltrekord: 58,4 % (Kraftwerk Mainz/Wiesbaden, Siemens)
Einen gewaltigen Fortschritt könnten die Ingenieure bei GUD-Kraftwerken erzielen, wenn sie das Verbrennungsgas aus der 1550 °C heißen Flamme nicht auf 1230 °C abkühlen müssten, bevor es auf die Schaufeln der Gasturbine trifft schon bei 1000 °C glühen die Schaufeln so sehr, dass man bei der Helligkeit Zeitung lesen könnte. Die Schaufeln werden heute durch Luft gekühlt, die aus feinen Löchern strömt und einen dünnen Kühlfilm um die Schaufeln legt aber auch Wirkungsgrad kostet. General Electric setzt deshalb auf die Dampfkühlung, bei der Dampf aus den Dampfturbinen zur Kühlung der Gasturbine abgezweigt wird eine Lösung, an der auch Siemens arbeitet, jedoch nur zur Kühlung von Dampfturbinenschaufeln.
Alle Turbinen-Hersteller experimentieren deshalb mit neuen Materialien, die diese enorme Hitze ohne Kühlung aushalten. Heute werden Legierungen aus einer Vielzahl von Metallen auf Nickelbasis verwendet, die als Einkristalle hergestellt werden und neben der Hitze auch den hohen Fliehkräften vom 10000-fachen der Erdbeschleunigung Stand halten müssen. Höhere Temperaturen wären nur möglich, wenn das Metall mit Keramik überzogen würde. So senkt eine 0,2 mm dicke Keramikschicht auf der Schaufel die Temperatur auf der darunter liegenden Metalloberfläche um 150 °C. Doch die bekannten Silizium-Nitride und -Carbide verbrennen mit der Zeit und brechen zu leicht.
Diese Handicaps sind das größte Hindernis beim Bau von Schaufeln aus massiver, faserverstärkter Keramik. Sie wären der Traum der Turbinenkonstrukteure. Die Leistung einer solchen ungekühlten Turbine stiege bei gleicher Größe um 40 %, der Wirkungsgrad um 20 %. Doch auch wenn es dieses Wundermaterial einmal gäbe über 1550 °C wird man selbst damit nicht gehen können, weil sonst die Umweltschützer Einspruch erheben würden. Jeder Anstieg der Flammentemperatur erhöht nämlich den Ausstoß von Stickoxiden pro 100 K um das Fünffache.
Es gibt aber nicht nur technische Grenzen für den Wirkungsgrad, auch der Preis spielt eine Rolle denn nicht alles was machbar ist, ist auch bezahlbar, weiß Bernard Becker. Die wichtigste Forderung seiner Kunden, sagt er, sei weder der Wirkungsgrad noch der Umweltschutz: "Ein Kraftwerk muss vor allem zuverlässig sein."
Bernd Müller