Pictures of the Future   Herbst 2007

Hitzeschild in Handarbeit

Keramiken schützen Gasturbinen vor den heißen Verbrennungsgasen. Siemens hat hierfür Materialien und Herstellprozesse selbst entwickelt – ein großer Wettbewerbsvorteil.

Im Zentrum einer Kerzenflamme, dort, wo die Rußteilchen leuchtend hell verglühen, herrschen Temperaturen von 1 000 bis 1 200 °C. Für keramische Hitzeschilde von Siemens, kurz CHS (Ceramic Heat Shield), wäre das Kerzenflackern jedoch wie ein kühler Luftzug: Ein CHS muss Temperaturen von 1 500 °C aushalten. Denn so heiß wird es im Inneren der Ringbrennkammer einer Gasturbine – und damit an der Warmseite der keramischen Auskleidung, die aus bis zu 500 einzelnen CHS besteht. An ihrer "kalten" Rückseite ist die Temperatur auf etwa 600 °C abgefallen. "Die Isolationswirkung dieser vier Zentimeter dicken Keramikisolation beträgt also etwa 900 °C", sagt Vassilios Papadopoulos, Fertigungsleiter der CHS bei Siemens Power Generation (PG) in Berlin. "Ohne diesen Schutz würde das Metall der Brennkammer ruckzuck schmelzen, und die Anlage wäre sofort zerstört."

Neben der Hitze sind auch die mechanischen Belastungen extrem: Das mit bis zu 100 m/s vorbeiströmende Gas wirkt wie ein Tornado der zweithöchsten Kategorie F4, der in der Brennkammer tobt und permanent die Keramik angreift. Doch ein CHS hält all dem stand – verglichen mit den Hitzeschilden einer Raumfähre sogar noch unter verschärften Bedingungen. "Die keramischen Hitzeschilde eines Spaceshuttles werden nach jedem Start und jeder Landung aufwändig inspiziert. Unsere Anlagen hingegen müssen viele tausend Betriebsstunden und Starts durchlaufen, bevor eine Inspektion der Bauteile stattfinden kann", sagt Dr. Holger Grote, Materialexperte und Teamleiter CHS bei PG in Mülheim an der Ruhr.

Schneller in Eigenregie. In den vergangenen Jahren sind die Leistungen und Wirkungsgrade von Gasturbinen stetig gestiegen ( Optimierung von Turbinen). Möglich wurde dies vor allem durch immer höhere Temperaturen in der Brennkammer. Denn grundsätzlich gilt: Je höher die Verbrennungstemperatur, desto höher der Wirkungsgrad und damit die Effizienz der Turbine. Sie braucht für die gleiche elektrische Leistung weniger Erdgas und produziert daher auch weniger Kohlendioxid. "Damit steigen natürlich auch die Anforderungen an die Hitzeschilde", sagt Papadopoulos. "Vor 2006 kauften wir noch alle CHS bei externen Firmen. Doch die Entwicklungszeiten der Lieferanten waren ziemlich lang. Sie konnten mit der Innovationsgeschwindigkeit unserer Gasturbinen kaum mithalten." Das war auch eines der Ergebnisse des "Value Generation Program", das PG im Jahr 2002 startete. "Damals haben wir die eigene Wettbewerbsfähigkeit mit der von Firmen wie General Electric verglichen und beschlossen, anders als die Wettbewerber die komplette Wertschöpfung bei den vollkeramischen Bauteilen selbst in die Hand zu nehmen", berichtet Grote.

Die keramischen Hitzeschilde sollten also inhouse gefertigt und optimiert werden. Zu diesem Zweck errichtete Siemens in Mülheim ein Material-Testzentrum. "Das Herzstück sind spezielle Prüfstände zur thermischen und thermomechanischen Charakterisierung der Keramiken. Von 2003 bis 2005 untersuchten wir die unterschiedlichsten Materialmischungen", sagt Grote. "So prüften wir etwa, wie sich der Keramik-Werkstoff bei 1 500 °C verhält. Nach zwei Jahren Forschung kristallisierte sich ein Werkstoff als Top-Kandidat heraus, der robuster und beständiger gegen Temperaturwechsel-Belastungen ist als die ursprünglich eingesetzten Keramiken – und der daher auch eine längere Lebensdauer hat. Alles Pluspunkte für den Kunden, denn je länger die CHS intakt bleiben, desto seltener müssen sie ausgetauscht werden, was die Wartungskosten des Kraftwerks senkt."

Doch nicht nur CHS, auch der komplette Produktionsprozess wurde neu entwickelt. Nach einer Rekordbauzeit von nur zwölf Monaten ging die Berliner Fertigung im März 2006 in Betrieb. "Bei uns kommt ein weltweit einmaliges Verfahren zum Einsatz. Es reicht von der grammgenauen Herstellung des Werkstoffs für die CHS aus den Rohstoffen, über die Werkstoff-Verarbeitung an speziellen Formgebungsanlagen bis zum Brennen der keramischen Hitzeschilde. Das Ergebnis sind passgenaue CHS – die Abweichungen in Länge und Breite betragen maximal vier Zehntel Millimeter", sagt Papadopoulos. "Ein großer Vorteil, denn die externen Lieferanten müssen die nach einem anderen Verfahren hergestellten Hitzeschilde erst noch nacharbeiten – und wer schon mal eine Keramik nacharbeiten musste, weiß, wie aufwändig das ist." Vor der Auslieferung findet eine sorgfältige Abnahme jedes einzelnen Hitzeschildes statt, beispielsweise ob es kleinste Risse zeigt – ein K.o.-Kriterium. "Darüber hinaus hat Siemens ein Total Quality Management System für diese Fertigung aufgebaut, das die Verfügbarkeit und Sicherheit unserer Gasturbinen weiter verbessert", erklärt Holger Grote.

Maßarbeit bei der Herstellung. Sollte ein CHS Schäden aufweisen, lässt sich die Ursache schnell finden. Denn jeder Hitzeschild trägt eine Nummer, unter der der Herstellungsprozess mitprotokolliert wird und die Rückverfolgbarkeit gewährleistet ist. Auch später, bei der so genannten Besteinung, die bei PG in Berlin passiert, wird jede einzelne Hitzeschildposition erfasst. So nennen die Fachleute das Verfahren, bei dem die CHS sorgfältig in die Ringbrennkammer eingesetzt werden. Die vorgegebene Spaltgröße zwischen ihnen – etwa 1,4 mm – darf um höchstens 0,1 mm abweichen. "Hier zeigen sich deutlich die Vorzüge des maßlich genauen Herstellungsverfahrens", betont Fertigungsleiter Papadopoulos. Doch der größte Vorteil der neuen Hitzeschilde wird erst künftig zum Tragen kommen: neue und noch komplexere CHS-Geometrien.

"Im Gegensatz zu den externen Lieferanten können wir die CHS in die unterschiedlichsten Formen gießen. Damit sind künftig nicht nur Anwendungen im Bereich der Brennkammer, sondern auch in anderen Komponenten der Gasturbine möglich", sagt Grote. Auch der Werkstoff selbst wird weiter verbessert, um den Anforderungen künftiger Kraftwerksgenerationen gewachsen zu sein. Noch in diesem Jahr sollen die keramischen Hitzeschilde mit einer – ebenfalls keramischen – Korrosionsschutzschicht versehen werden, die sie noch widerstandsfähiger gegenüber Heißgas und hohen Temperaturen macht.
                                                                                                         Ulrike Zechbauer