Schweißnähte für noch mehr Power

In Kraftwerken setzt das Material dem Wirkungsgrad und dem Umweltschutz noch Grenzen – Fraunhofer IWM prüft und optimiert Rohrverbindungen

Es ist extrem heiß, es herrscht ein Riesendruck, und Wasserdampf schießt durch die Rohre: Im Inneren eines Kraftwerkes bei 600 Grad Celsius ist eine stählerne Schleife rund um den Heizkessel schnell nicht mehr das, was sie war: Die Rohre strecken und verfestigen, dehnen und krümmen sich. Dabei würden noch höhere Temperaturen – zum Beispiel in Kohlekraftwerken – nicht nur den Wirkungsgrad steigern, sondern auch die Umweltbelastung mit Schadstoffen verringern. Das aber ist nur möglich, wenn die Rohre halten. Genau dies zu erreichen, ist Ziel eines Forschungsprojekts am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg.

Knackpunkt sind die Schweißnähte: Sie verbinden Rohre aus besonders robustem, aber auch sehr teurem Stahl im heißen Kraftwerkskern mit anderen Stahlrohren, die zwar viel, aber eben nicht genug aushalten, im äußeren Kraftwerksbereich. Kein Leck, keine Verformung dieser Schweißnähte darf die Energiegewinnung beeinträchtigen und den Betrieb gefährden. Das Fraunhofer IWM analysiert und bewertet deshalb, wie Stähle unterschiedlicher Zusammensetzung – der Fachjargon unterscheidet zwischen austenitischen und ferritischen Stählen – am besten zusammenhalten.

Mit einer Schweißverbindung? Mit gewalzter Verbindung? Mit einer Reibschweißung oder einer heißgepressten Naht? Die Antwort geben die Fraunhofer-Mitarbeiter einmal mit dem Rechner. Der simuliert aufgrund der zuvor gemessenen Materialeigenschaften die Belastung und sagt für jedes Stückchen Stahlmischung vorher, wie es sich verhält, wenn’s spannt, zieht und zu reißen droht. Zum Anderen aber füttern die Fraunhofer-Forscher zwei Prüfanlagen mit den Rohren. Im Inneren der Anlagen werden die Rohre und besonders die Schweißnähte Bedingungen ausgesetzt, die zum Teil noch härter sind als im wahren Kraftwerksleben. Schließlich sollen die Rohre genauso lang halten wie das gesamte Kraftwerk, also gute 40 Jahre. „Nur wenn die Nähte der Belastung standhalten, lassen sich neue Kraftwerke noch wirtschaftlicher und umweltschonender betreiben“, erläutert der Leiter des Freiburger Institutsteils, Thomas Hollstein. Im neuen deutschen Kohlekraftwerk in Niederaußem (Nordrhein-Westfalen) wurden die bisherigen Forschungsergebnisse der IWM-Mitarbeiter bereits erfolgreich umgesetzt. Die nächste Generation soll noch besser werden. Von den Erkenntnissen für die neue Kraftwerksgeneration würden, so Thomas Hollstein, außerdem auch Chemie- und Müllverbrennungsanlagen profitieren.

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