Moderne Dampfkraftwerke läuten die Ära der nachhaltigen Energiewirtschaft ein

Mit Hilfe überkritischer Hochtemperatur-Kraftwerksprozesse lassen sich bei Dampfkraftwerken Nettowirkungsgrade von über 50 % realisieren. Diese Technik bietet zugleich die Möglichkeit, die Emission von Kohlendioxid spürbar zu senken.

Der 12. Oktober 1999 war für die Menschheit ein besonderes Datum, denn genau an diesem Tag erreichte die Weltbevölkerung die 6 Milliarden Grenze. Zur Zeit gesellen sich Minute für Minute 180 neue Erdenbürger hinzu, und wenn dieses Wachstum weiter anhält, wovon wir heute ausgehen müssen, dann werden im Jahre 2050 etwa 10 Milliarden Menschen auf der Erde leben, deren Energiehunger etwa dreimal so hoch sein wird wie heute.

Neben der Suche nach alternativen Energieträgern gehören Verbesserungen bestehender Technologien zu den wichtigsten Etappenzielen auf dem Weg in eine nachhaltige Energiezukunft. Doch wie lassen sich die Potenziale von Technologien erschliessen, die gemeinhin als ausgereift gelten?

“Selbst ein “altes Mädchen” wie die Dampfturbine beherbergt noch vielfältige Innovationspotenziale”, versichert Karsten Müller, Experte für Dampfkraftwerke bei der Alstom AG. Ein Schlüssel zur erfolgreichen CO2-Minderung seien überkritische Hochtemperatur-Kraftwerksprozesse mit den Hauptkomponenten Kessel und Dampfturbine.

Überkritische Prozesse bedienen sich so genannter überkritischer Medien. Wird beispielsweise Wasser in einem geschlossenen Behälter erhitzt, so gelangt man schließlich zu einem Punkt, bei dem die Dichte des Dampfes mit derjenigen der Flüssigkeit identisch wird und die Phasengrenze verschwindet. Beim Wasser ist dieser “kritische Punkt” beispielsweise bei einer Temperatur von 374 °C und einem Druck von 221 bar erreicht. Da sich im thermodynamisch günstigeren überkritischen Bereich höhere Wirkungsgrade erzielen lassen, hat Alstom am Standort Lippendorf bereits vor vier Jahren ein braunkohlebefeuertes Kraftwerk mit einem elektrischen Gesamtwirkungsgrad von rund 42 % realisieren können, während mit herkömmlichen unterkritischen Technologien nur etwa 35 % erzielt werden können.
Für die hochbeanspruchten Bauteile von Dampfturbinen sind zur Zeit Werkstoffe verfügbar, die einen Betrieb mit Dampfdrücken von bis zu 300 bar bei Temperaturen von 600 °C erlauben. Mit diesen Prozessparametern lassen sich Netto-Wirkungsgrade für Steinkohlekraftwerke von bis zu 46% realisieren.

“Damit ist das Ende der Fahnenstange aber noch nicht erreicht”, unterstreicht Fachmann Müller. Vielmehr sei es möglich, mit Hilfe neuer Technologien den Nettowirkungsgrad von Dampfkraftwerken auf über 50 % zu steigern. Voraussetzung hierfür seien “drastisch erhöhte Dampfparameter gegenüber dem heutigen Stand der Technik.” Darunter versteht Müller Betriebstemperaturen bis etwa 720 °C und Drücke von rund 350 bar.

In einer F&E-Initiative testet Alstom zur Zeit die hierfür erforderlichen Werkstoffe, die den harschen Bedingungen widerstehen. “Die kritischen Bauteile der Turbinen sind Rotoren und Gehäuse”, verdeutlicht Müller. Hierfür müssten Werkstoffe mit der notwendigen Zeitstandfestigkeit mit den zugleich geforderten Fertigungseigenschaften bereitgestellt werden. Als aussichtsreichste Kandidaten gelten einerseits hochtemperaturfeste Stahllegierungen, aber auch neuartige, als Alloy 617 und 625 bezeichnete Nickel-Basis-Werkstoffe. Müllers Angaben zufolge werden in einer Versuchsanlage bis 2007 die ersten Ventiltests durchgeführt.