Pictures of the Future   Herbst 2007

Der Koloss von Irsching

Im November 2007 wird die mit 340 MW Leistung größte Gasturbine der Welt zum ersten Mal in Betrieb gehen. In Kombination mit einer nachgeschalteten Dampfturbine wird sie dazu beitragen, dass ein Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk ab 2011 mit über 60 % auch einen neuen Weltrekord beim Wirkungsgrad aufstellt.

Als im oberbayerischen Irsching in diesem Jahr der weißblaue Maibaum aufgestellt wurde, beobachteten die meisten Einwohner des kleinen Ortes gespannt die Zeremonie. Drei Wochen später standen sie wieder dort und bangten um ihren geschmückten Stamm, als sich ein gewaltiger Schwertransport mit der über 13 m langen, 5 m hohen und 444 t schweren neuen Turbine für das Irschinger Kraftwerk langsam durch die Dorfstraße schob. Doch der Maibaum stand fest wie immer. Mehr Sorgen hatten sich da Fachleute um die Brücke direkt vor dem Ort gemacht. Sie hatten sie sicherheitshalber extra für diesen Transport erneuern lassen.

1 500 km auf dem Wasser über die Havel und verschiedene Kanäle, dann den Rhein, den Main und den Main-Donau-Kanal bis nach Kelheim und weitere 40 km auf der Straße musste die größte Gasturbine der Welt vom Berliner Werk von Siemens Power Generation (PG) bis nach Irsching zurücklegen. Der Grund für die Mühen: Eine so große, leistungsstarke Turbine lässt sich nur sinnvoll im echten Kraftwerksbetrieb testen. "Da traf es sich gut, dass das Energieversorgungsunternehmen E.ON in Irsching ohnehin das bestehende Kraftwerk erweitern wollte", sagt der PG-Projektleiter in Irsching, Hans-Otto Rohwer.

Nun baut Siemens bis 2009 mit dem Block 5 für die E.ON Kraftwerke GmbH ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit zwei kleineren Gasturbinen und einer Dampfturbine – und zudem den Block 4, in dem der stählerne Riese zum Einsatz kommt. Die neue Turbine leistet mit 340 MW genauso viel wie 13 Jumbojet-Triebwerke. Sie könnte ganz allein die Bevölkerung einer Stadt wie Hamburg mit Strom versorgen.

"Block 4 ist zunächst ein rein von uns betriebenes Projekt", sagt Rohwer. Siemens nutzt die bestehende Infrastruktur, kauft Gas bei E.ON-Ruhrgas ein und verkauft den produzierten Strom. Doch der ist im Augenblick noch Nebensache, denn es geht in den nächsten eineinhalb Jahren vor allem darum, die neue Turbine zu testen. Dazu ist sie mit 3 000 zusätzlichen Sensoren ausgestattet, die von Druck und Temperatur bis hin zu mechanischen Spannungen und Materialschwächen so ziemlich alles registrieren, was man mit moderner Technik messen kann. Sollte eine Komponente nicht korrekt arbeiten oder gar ausfallen, würden die angeschlossenen Computer den Defekt sofort melden. Dann wird das Bauteil ausgebaut, ersetzt, oder überarbeitet.

Die ganze Messtechnik wirkt größtenteils im Verborgenen – das Auffallendste an der Anlage sind die 21 Bürocontainer mit den Messplätzen. Die nehmen sich neben der 30 m hohen Turbinenhalle, die fast so groß wie ein halbes Fußballfeld ist, winzig aus. Und doch scheint die schimmernde Metallhaut des neuen Kraftwerks leicht und modern gegenüber dem Betonkomplex der drei alten 200 m hohen Türme aus den 1960er- und 70er-Jahren, die ihre Schatten auf die Irschinger Zuckerrübenfelder werfen. "Fertig ist die Halle aber noch lange nicht", sagt Rohwer, und verweist auf ein großes Loch im Betonboden zwischen Turbine und Generator. "Dort fehlen noch Ölsysteme, die alle beweglichen Teile des Wellenstrangs schmieren. Dazu ein Großteil des Kamins, fast sämtliche elektrischen Anlagen und die Gasversorgung."

Luft holen für den Weltrekord. Rohwer deutet auf eine Öffnung in der Längswand des Gebäudes: die Luftzuführung, durch die über ein Gehäuse mit Filtern und Schalldämpfern Frischluft angesaugt wird. Im Volllastbetrieb werden hier später 800 kg Luft pro Sekunde durchströmen. Der Luftinhalt der Halle wäre in wenigen Minuten verbraucht. Doch der Aufwand lohnt sich, denn die Gasturbine wird zusammen mit einer nachgeschalteten Dampfturbine im neuen Kraftwerk einen Weltrekord beim Wirkungsgrad aufstellen: über 60 %, zwei Prozentpunkte mehr als der bisherige Rekordhalter, das Kraftwerk Mainz-Wiesbaden. Relativ dazu wird also deutlich weniger Brennstoff verbrannt und pro Jahr werden 40 000 t weniger Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre abgegeben. Im Vergleich zu durchschnittlichen modernen kohlebetriebenen Dampfkraftwerken mit 42 % Wirkungsgrad spart das künftige Kraftwerk in Irsching bei derselben Strommenge sogar rund 2,3 Mio. t CO₂ pro Jahr.

Nach Fertigstellung der Anlage bleibt viel zu tun. Denn dann müssen die Techniker alle Systeme testen: Sind die Gasleitungen druckdicht und die elektrischen Leitungen richtig abgesichert? Schließen und öffnen alle Ventile sicher und schnell genug? Es ist fast wie beim Start einer Rakete. Der Countdown läuft. Mitte Dezember 2007 ist Take-off: die erste Zündung.

Dass Siemens auf eine so große Turbine setzt und nicht wie E.ON nebenan auf zwei kleinere, hat einen Grund: "Der Turbinenpreis pro Megawatt Leistung und der Wirkungsgrad korrelieren mit der Größe der Turbine: Je größer desto günstiger", erklärt Willibald Fischer, der die Entwicklung der Turbinenfamilie 8000H verantwortet. "1990 lieferte die größte Gasturbine 150 MW. Zusammen mit einer 75-MW-Dampfturbine erreichte sie 52 % Wirkungsgrad. Unsere Gasturbine leistet 340 MW. Zusammen mit der 190-MW-Dampfturbine nutzt sie den Energieinhalt des Gases zu über 60 %."

Zwei Herausforderungen mussten die Ingenieure von PG bewältigen: Sie erhöhten die Menge an Luft und an Verbrennungsgasen, die pro Sekunde durch die Turbine strömen – dabei steigt die Leistung stärker als die Verluste in der Turbine –, und sie erhöhten die Temperatur der Verbrennungsgase, was den Wirkungsgrad anhebt. "Es ist technisch ganz schön knifflig, wenn man an den Metallschaufeln einer Turbine 1 200 bis 1 500 °C heißes Gas vorbeiströmen lassen will", sagt Fischer, "denn die höchstzulässige Temperatur auf den Schaufeloberflächen beträgt nur 950 &grd;C. Dabei schimmert die Oberfläche rötlich glühend. Wird es noch heißer, verliert sie an Stabilität und das Material oxidiert."

Schutzschicht aus Keramik und Luft. Die Siemens-Ingenieure arbeiteten mit allen Tricks: So verringerten sie den Wärmeübergang vom Verbrennungsgas zum Metall. Möglich wird das mit einer thermischen Schutzschicht aus zwei Lagen: einer 300 µm feinen Haftschicht am Metall und einer darüber liegenden dünnen Keramikschicht, die die Wärmeisolierung bewirkt ( Optimierung von Turbinen). Darüber hinaus werden die Schaufeln aktiv gekühlt: Sie sind innen hohl und werden von Luft durchströmt, die der Verdichter liefert. Die vordersten Schaufeln im heißesten Bereich der Turbine haben zudem feine Löcher. Aus ihnen strömt Luft über die Schaufelblätter und überzieht sie wie eine Schutzschicht mit einem dünnen isolierenden Film.

Auch die Fliehkräfte sind enorm: Auf die Enden jeder Turbinenschaufel wirkt maximal das 10 000-fache der Erdbeschleunigung – das ist dasselbe, als wenn jeder Kubikzentimeter einer solchen Schaufel so viel wiegen würde wie ein Mensch. Hergestellt werden die Schaufeln aus einer Nickellegierung. Früher hat man sie einfach gegossen und erstarren lassen, später ließ man die Kristallite gezielt in die gleiche Richtung wachsen, in der auch die Fliehkräfte wirken. Der Koloss von Irsching hat nun Schaufeln, in denen die Legierung durch besondere Prozesse bei der Abkühlung weitgehend als ein einziger Kristall gewachsen ist. Sie sind daher besonders bruchfest, weil es keine Korngrenzen zwischen den kleinen Kristalliten in der Legierung mehr gibt, die als Bruchstellen dienen könnten.

Zudem optimierten die Ingenieure die Form der Schaufeln mit Hilfe von 3D-Simulationsprogrammen. Die Randzonen wurden so gestaltet, dass der Spalt zwischen den Schaufelblättern und der Turbinenwand möglichst gering bleibt. Dadurch strömt kaum heißes Gas ungenutzt an den Schaufeln vorbei. Und der Spalt wird noch weiter verkleinert: Da die Turbine konisch zuläuft, kann die Welle im Betrieb um einige Millimeter verschoben werden, bis die Schaufelblätter fast das Gehäuse berühren – die Ingenieure nennen dies "hydraulische Spaltoptimierung".

18 Monate Probezeit. Diese Maßnahmen bringen jede für sich nur Bruchteile an Wirkungsgradverbesserung oder Leistungssteigerung, doch alle zusammen genommen ermöglichen die Weltrekordwerte. Ob dann schließlich alles so funktionieren wird wie geplant, wird der 18-monatige Testlauf zeigen, der ab November 2007 beginnt. Verlaufen die Tests zufriedenstellend, werden die Ingenieure bereits im August 2008 die Vertriebsfreigabe für die Neuentwicklung geben, damit Siemens mit der Megaturbine auf den Markt gehen kann.

Nach erfolgreichem Abschluss der Tests Mitte 2009 ist in Irsching erst einmal Pause. Die Turbine wird generalüberholt, zerlegt und alle Komponenten werden noch einmal genau unter die Lupe genommen. Ist alles in Ordnung, wird sie ohne die speziellen messtechnischen Instrumente wieder zusammengebaut. Währenddessen bauen die Ingenieure an das Ende des Generators und an dieselbe Welle eine zusätzliche Dampfturbine an, denn die Abgase der Gasturbine sind über 600 &grd;C heiß. Sie können deshalb noch genutzt werden, um in einem Wärmetauscher Dampf zu erzeugen. Erst durch diesen kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Prozess (GuD) wird die Energie im Gas letztlich so gut ausgenutzt, dass der Rekordwirkungsgrad von über 60 % zustande kommt.

Herkömmliche Gasturbinenkraftwerke sind in der Regel reine Spitzenlastkraftwerke, die sich bei Bedarf schnell zuschalten lassen. Doch dafür wäre die Anlage in Irsching zu schade. "Wenn sich die Gasturbine im Probebetrieb bewährt, werden wir das Kraftwerk 2011 übernehmen", sagt Alfred Beck von der E.ON Kraftwerke GmbH. "Aufgrund des hohen Wirkungsgrads wird es wohl trotz der etwas höheren Gas-Energiepreise rentabel sein, das Kraftwerk für die Mittellast zu nutzen." Das GuD-Kraftwerk wird dann 3 000 bis 7 000 Stunden lang im Jahr Strom produzieren und dabei sicher ein "Spitzen-Kraftwerk" sein.
                                                                                                                  Bernhard Gerl