CO2-arme Kraftwerke

Auch in den kommenden Jahren bleiben Kohle, Gas und Öl ein wichtiges Standbein der Energieversorgung in Deutschland und Europa. Deshalb forschen wir daran, wie wir die fossilen Energiequellen effizienter nutzen und die Wirkungsgrade unserer Kraftwerke erhöhen können.

Wirkungsgrade. Quelle: VGB Powertech 2010/2011, EnBW

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie effizient ein Kraftwerk ist. Je mehr Strom es aus dem Brennstoff gewinnt, desto effizienter ist es - und desto weniger CO2 wird freigesetzt. Der mittlere Wirkungsgrad fossil befeuerter Kraftwerke liegt weltweit bei circa 30 %. In Europa sind es etwa
38 %. Die modernste Anlage der EnBW entsteht derzeit auf dem Gelände des Rheinhafen-Dampfkraftwerks in Karlsruhe. Sie soll einen Wirkungsgrad von etwas über 46 % erreichen.

Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen, müssen Temperatur und Druck des erzeugten Wasserdampfes nochmals deutlich erhöht werden. Für einen Wirkungsgrad von rund 50 % muss der Wasserdampf auf circa 350 bar und
700 °C gebracht werden. Der CO2-Ausstoß könnte damit um circa 40 % gegenüber dem weltweiten Durchschnitt gesenkt werden und noch um fast
9 % gegenüber der herkömmlichen Technologie.

Der neue Kraftwerkstyp soll extreme Temperaturen aushalten.

Der Schritt zum 700°-Kraftwerk stellt enorme Anforderungen an die Kraftwerksanlagen und Werkstoffe. Sie müssen außergewöhnlichen Belastungen standhalten. Und dies über eine Laufzeit von 40 bis 50 Jahren. Gesucht und erforscht wird daher eine neue Generation von Werkstoffen. Dies ist ein langwieriges Verfahren: Bis geeignete Materialien gefunden, die Werkstoffe entwickelt und auch kommerziell hergestellt sind, können bis zu 30 Jahre vergehen. Denn gleichzeitig mit dem Werkstoff werden geeignete Prüf- und Messmethoden entwickelt, die den Anforderungen von Kraftwerksbetreibern, Herstellern, Prüfinstituten und Überwachungsbehörden entsprechen.

An der Teststrecke im Kraftwerk Mannheim wird die Stärke der Leitungen an mehreren Stellen reduziert. So vermindert man die Druckfestigkeit des Materials und kann Alterungsmechanismen wie im Zeitraffer untersuchen.

Im Großkraftwerk Mannheim wird untersucht, wie sich neue Materialien langfristig unter 700°-Bedingungen verhalten. Getestet werden unter anderem Nickel-Basis-Legierungen, die sich in Rennmotoren und in der Luft- und Raumfahrt bewährt haben.

An der Teststrecke herrschen Dampftemperaturen von bis zu 725 °C. Durch Laständerungen und häufiges An- und Abfahren werden die Werkstoffe regelrecht "gestresst". Man will herausfinden, wie 700-Grad-Kraftwerke zu steuern sind. Wie stark kann man sie belasten? Wie schnell reagieren sie auf Leistungsschwankungen im Netz? Die Erkenntnisse der EnBW und die Projektergebnisse anderer Energieerzeuger und Industriepartner fließen in Richtlinien ein. Sie beschreiben, wie künftige 700-Grad-Kraftwerke auszulegen, zu bauen und zu betreiben sind. Letztlich helfen sie auch zu beurteilen, ob der neue Kraftwerkstyp technisch machbar und wirtschaftlich sein wird.

Die Computersimulation hilft dabei, die optimale Form der Turbinenschaufel zu finden.

Um Kraftwerksbau und -betrieb besser planen zu können, setzen wir Computersimulationen ein. Seit Jahren erheben wir direkt in unseren Anlagen Messwerte, die in Modellrechnungen über Volumenströme, Gaskonzentrationen und Temperaturverteilungen einfließen. Mittlerweile können wir den gesamten Verbrennungsprozess unter unterschiedlichen Bedingungen simulieren und optimieren.Wir können zum Beispiel abschätzen, wie effizient eine Anlage sein wird oder welche Emissionen auftreten werden. Und vor einer Investition lässt sich mithilfe der Berechnungen prüfen, ob Bauteile und Anlagendesigns überhaupt langfristig funktionieren werden.