Projekt-Cluster

Hochtemperaturwerkstoffe für über 700 °C Dampftemperatur

Forschungsansatz: Nickel-Basis-Legierungen für über 600 °C

Die erste Teststrecke mit 700°C wurde 2005 im Kraftwerk Scholven installiert. Bild: Eon

 

Dampfkraftwerke mit einer Einspritztemperatur über 700 °C und mit 350 bar Druck erreichen höhere Wirkungsgrad. Doch bisher verwendete Materialien halten diese Temperaturen und Drücke nicht aus. Deswegen erforschen Konstrukteure geeignete Werkstoffe. Für diese Bedingungen müssen neue Auslegungskonzepte wie auch Verbindungs- und Dichttechniken erforscht werden. Das gilt zum Beispiel für Kesselbauteile, Dampfturbinen, Ventile und Rohrleitungen.

 

In der Vergangenheit hat es zahlreiche erfolglose Versuche gegeben, Stähle zu entwickeln, die hohe Dampftemperaturen von bis zu 650 °C ertragen. Eisenbasierten Werkstoffen trauen Fachleute deshalb keine nennenswerte über den derzeitigen Stand hinausgehende Temperaturerhöhung mehr zu. Völlig neue Perspektiven eröffnet jedoch ein neues Werkstoffkonzept, das auf so genannten Nickel-Basis-Legierungen beruht.

 

Nickel-Basis-Legierungen sind selbst bei hohen Temperaturen extrem beständig. Das macht eine Anhebung der Dampftemperaturen auf mehr als 700 °C möglich und eröffnet Dampfkraftwerken Wirkungsgrade von mehr als 50 Prozent. Bis 2020 sind Wirkungsgrade von über 50 Prozent umsetzbar. Damit sind CO2-Minderungen gegenüber dem heutigen Anlagenbestand in Deutschland von rund 30 Prozent und gegenüber den derzeit errichteten Anlagen von 15 Prozent möglich. Die Basis bilden eine optimierte Prozessauslegung sowie verbesserte Dampferzeuger und Dampfturbinen.

 

Die zunehmende Verfeuerung von Importkohlen unterschiedlicher Qualitäten, die Nutzung heimischer Kohlen mit schlechten Verbrennungseigenschaften sowie die Mitverbrennung von Biomasse und Ersatzbrennstoffen erfordern angepasste Feuerungs- und Dampferzeugertechnologien. Um eine optimale Verbrennung zu erreichen, sind neue Monitoring-Methoden für Feuerung und Dampferzeuger erforderlich.

Die zukünftige Fahrweise von Kraftwerken soll zum Ausgleich der schwankenden Einspeisung von erneuerbaren Energien, flexibler werden. Dies stellt weitere Anforderungen an die Betriebssicherheit im Kraftwerk. Für die Auslegung und die betriebliche Überwachung von Druckteilen sind neue Methoden erforderlich.

Geschichte der Forschung zur 700 °C-Kraftwerken

Derzeit laufen zwei Hochtemperatur Werkstoff Teststrecken im Grosskraftwerk Mannheim. Bild: GKM

Erste Überlegungen zu einem Kraftwerk mit 700 °C Dampftemperatur wurden Mitte der 1990er Jahre angestellt. Das Vorhaben AD700 bündelte die Forschung und kam zu dem Ergebnisse, dass 700 °C-Kraftwerke wirtschaftlich sind.


Mit COMTES700 begann die großtechnische Erprobung von Schlüsselkomponenten eines 700°C-Kraftwerks. Die Komponententestanlage nahm im Sommer 2005 im Kraftwerk Scholven ihren Betrieb auf. Neben den wichtigsten Dampferzeugern und Rohrleitungskomponenten sind hier Armaturen und das Turbineneinlassventil im Test. Daneben gibt es Versuche zur Absicherung des Hochtemperaturkorrosionsverhaltens in einer realen Rauchgasatmosphäre und zur Untersuchung des Oxidationsverhaltens der Rohrinnenseite.

Die europäischen Energieversorger Eon, RWE, EnBW, Vattenfall, EDF, Electrabel, Elsam, Energi E2 und PPC sowie die vier Hersteller ALSTOM Power, Hitachi Power Europe, Burmeister & Wain Energy und Siemens stemmen das Projekt. Auch die Europäische Kommission unterstützt das Vorhaben finanziell über den Research Fund for Coal and Steel (RFCS).

 

Die detaillierte Engineering-Studie NRWPP700 lief von 2006 bis 2008. Unter Führung der Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber (VGB) erarbeiteten die Projektpartner Grundlagen für die Detailplanung eines Demonstrationskraftwerks.

Hochtemperatur Werkstoff Teststrecken in Betrieb

Aktuell erforscht eine Gruppe mit 28 Partnern aus Industrie und Forschung am Großkraftwerk Mannheim Materialien für die 700 °C-Technik. Sowohl für dünnwandige als auch dickwandige Bauteile sind mittlerweile Teststrecken in Betrieb.

Aktuelle Forschungsvorhaben zur 700°C-Kraftwerken

 

HWT II: Untersuchung des Betriebs- und Versagensverhaltens dickwandiger Bauteile für hocheffiziente Kraftwerke

Projektlaufzeit: 2011 - 2014, Add-on 2012 bis 2015

 

HWT I: Untersuchungen zum langzeitigen Betriebsverhalten von Rohren und Schmiedeteilen aus Legierungen für zukünftige hocheffiziente Kraftwerke

Projektlaufzeit: 2012 - 2015

 

Projektleitung: Grosskraftwerk Mannheim (GKM)

Wissenschaftliche Projektleitung: Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart


Partner des Verbundvorhabens:

  • ABB AG Division Energietechnik-Systeme
  • ALSTOM Boiler Deutschland und Alstom Power Systems
  • Babcock Borsig Steinmüller
  • BASF
  • BGH Edelstahl
  • BHR Hochdruck-Rohrleitungsbau
  • Böhler Welding
  • Bopp & Reuther Sicherheits- und Regelarmaturen
  • Eagle Burgmann
  • EnBW Kraftwerke
  • Lehrstuhl und Institut für Dampf- und Gasturbinen (IDG) der RWTH Aachen
  • Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen (IKDG) der RWTH Aachen
  • Kraftanlagen München
  • KSB
  • LISEGA
  • Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt und Institut für Werkstoffkunde (MPA IfW Darmstadt)
  • MVV Energie
  • Saarschmiede
  • Salzgitter Mannesmann Stainless Tubes
  • Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mannheim
  • Thyssen Krupp
  • TÜV Süd
  • Vallourec & Mannesmann Tubes
  • VGB Power Tech
  • Welland & Tuxhorn Armaturen und Maschinenfabrik
  • Wrede & Niedecken

Laufende Projekte

HWT II

HWT I

Vorgängerprojekte

Teststrecke GKM
Untersuchungen zum langzeitigen Betriebsverhalten von Rohren und Schmiedeteilen aus Legierungen für zukünftige hocheffiziente Kraftwerke
(2008-2012)

Werkstoffqualifizierung
Wechselwirkung von Hochtemperaturkorrosion, thermischer und thermomechanischer Belastung auf die Lebensdauer von Hochtemperaturwerkstoffen für Kraftwerkstechnologien > 50 Prozent Wirkungsgrad
(2008-2009)

Ansatzbildung
Thermochemische Simulation und experimentelle Untersuchungen zur Ansatzbildung in Kohledampferzeugern am Beispiel rheinischer Braunkohle
(2004-2006)

Interview zu HWT I und II

Foto: MPA Stuttgart

Professor Karl Maile, stellvertretender Direktor der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA Stuttgart), leitet die wissenschaftliche Begleitforschung an den Hochtemperatur Werkstoff Teststrecken (HWT I und II) am Grosskraftwerk Mannheim...

Interview zu HWT I und II

Bild: Jochen Kubik/MPA der Universität Stuttgart

Am Grosskraftwerk Mannheim laufen 2013 zwei Teststrecken, an denen Materialien für ein 725°C-Kraftwerk erforscht werden. Einen Teil der werkstofftechnischen Untersuchungen führt Diplom-Ingenieur Stefan Zickler von der Materialprüfanstalt der Universität Stuttgart durch.

Bericht zu HWT II

Bild: Christina Geimer/BINE Informationsdienst

Anfang Oktober 2012 hat das Grosskraftwerk Mannheim eine weitere Hochtemperatur Werkstoff Teststrecke (HWT II) in Betrieb genommen.