Standpunkt / 04.03.2013

Interview mit Stefan Zickler: Technisch ist ein 725°C-Kraftwerk möglich

Stefan Zickler trägt mit werkstofftechnischen Untersuchungen zur Realisierung eines 700°C-Kraftwerks bei.
Diplom-Ingenieur Stefan Zickler trägt mit werkstofftechnischen Untersuchungen zur Erforschung eines 700°C-Kraftwerks bei. Bild: Jochen Kubik/MPA der Universität Stuttgart

KraftwerkForschung.info: Was ist Ihre Aufgabe bei der Hochtemperatur Werkstoff Teststrecke im Grosskraftwerk Mannheim?

Zickler: Wir sind an der Schnittstelle zwischen Anwendung und Forschung tätig. So ermitteln wir beispielsweise spezifische Materialkennwerte im Labor. Diese dienen dazu, die Rohrleitungen für ein Kraftwerk zu dimensionieren.

In der Teststrecke in Mannheim wurden die Rohre nach unterschiedlichen Kriterien ausgelegt. Ein Teil der Rohrleitungen, die Zeitstandteststrecken im Projekt HWT I, sind so ausgelegt, dass innerhalb der Projektlaufzeit bereits zeitstandbedingte Schädigungen im Material auftreten. Wir werten die Messdaten von der Teststrecke in Mannheim regelmäßig aus. Ergänzend führen wir Labortests durch. Bei den Zeitstandversuchen ermitteln wir zum Beispiel, wie lange ein bestimmter Werkstoff eine gleichmäßige Belastung bei hohen Temperaturen und Drücken aushält. Ferner werden die Veränderungen der Mikrostruktur sowie das Oxidations- beziehungsweise Korrosionsverhalten ermittelt, diese Informationen werden für die Lebensdaueranalyse von Bauteilen benötigt.


KraftwerkForschung.info: Seit Oktober 2012 untersuchen Sie neben dünnwandigen Bauteilen auch dickwandige Rohrleitungen. Wie unterscheiden sich die Teststrecken?

Zickler: Die dünnwandigen Bauteile der Teststrecke HWT I erwärmen sich nahezu gleichmäßig. Bei der Erhöhung der Temperatur durch heißen Dampf im Rohrinneren dehnt sich die Rohrinnenseite zuerst aus. Bei dickwandigen Bauteilen ist dieser Effekt wesentlich stärker ausgeprägt als bei dünnwandigen Komponenten. Dadurch kommt es im Material zu zusätzlichen thermischen Spannungen, die in Materialdehnungen und -schädigung resultieren. Diese Dehnungen erfassen wir mit unseren Hochtemperatur-Dehnmessstreifen.

In der Teststrecke HWT II fahren wir im instationären Bereich innerhalb von 24 Stunden circa 14 Temperaturzyklen zwischen 400°C und 725°C. Damit simulieren wir einen flexiblen Kraftwerksbetrieb. Durch unsere Untersuchungen und die begleitenden numerischen Simulationen können wir Aussagen darüber treffen, welche Belastungen die Komponenten zukünftiger Kraftwerke erfahren und wie sie diese aushalten.


KraftwerkForschung.info: Die Anforderungen an das Material sind höhere Temperaturen und flexible Lastzyklen – wie passt das zusammen?

Zickler: Durch die höheren Temperaturen steigt der Wirkungsgrad des Kraftwerkes. Das heißt, aus der gleichen Menge eingesetzten Brennstoffes wird mehr elektrische Leistung gewonnen. Bei fossil befeuerten Kraftwerken sinken damit verbunden die Emissionen.

Der flexible Betrieb ist zum Ausgleich der schwankenden Einspeisung von Wind- und Sonnenenergie notwendig. Für die Werkstofftechnik bedeuten die beiden Anforderungen, dass wir ein Optimum in der Auslegung der Komponenten suchen müssen. Zum Beispiel gilt für die Auslegung der Rohrwandstärke, je dicker ein Rohr ist, desto höher sind die Spannungen durch Temperaturwechsel, beispielsweise beim schnellen An- und Abfahren des Kraftwerks. Umgekehrt resultiert aus den gestiegenen Drücken und Temperaturen im stationären Kraftwerksbetrieb aber die Notwendigkeit für dickere Bauteile, um die Belastungen im Material zu reduzieren. Einen Ausweg aus diesem Zielkonflikt bietet der Einsatz von hochwarmfesten Werkstoffen, wie wir sie im Grosskraftwerk Mannheim untersuchen. Damit lassen sich höhere Beanspruchungen bei gleichzeitig reduzierter Wandstärke für die eingesetzten Rohrleitungen realisieren.

Unsere Forschung ist nicht nur für Kohlekraftwerke interessant, sondern allgemein für Kraftwerke mit Dampfkreislauf, beispielsweise solarthermische Kraftwerke. Auch dabei sind Wirkungsgradsteigerungen mit höheren Temperaturen und Drücken verbunden. Unsere Ergebnisse können dorthin übertragen werden.


KraftwerkForschung.info: Welche Erkenntnisse zum Verhalten von Nickel-Basis-Legierungen bei den Belastungen in der Teststrecke haben Sie gewonnen?

Zickler: Bisher stimmen unsere gemessenen Daten an der Teststrecke mit den Ergebnissen aus den Laboruntersuchungen und unseren vorherigen Berechnungen sehr gut überein. Wir kennen das Verhalten der eingesetzten Nickel-Basis-Legierungen bereits aus anderen Anwendungsgebieten, aber die hier umgesetzten kraftwerksspezifischen Belastungen sind neu.

Ein Nachteil der Nickel-Basis-Legierungen sind die Schwierigkeiten beim Verarbeiten: Beim Schweißen und Bearbeiten ist das Material sehr anspruchsvoll, die möglichen mikrostrukturellen Änderungen müssen in angepassten Verarbeitungsschritten beziehungsweise Wärmebehandlungen berücksichtigt werden, um ein vorzeitiges Versagen zu vermeiden. Außerdem gibt es noch offene Fragen in Bezug auf die zerstörungsfreie Prüfung, beispielsweise Ultraschallprüfungen der Schweißnähte. Aber bei Dampftemperaturen über 700°C führt an diesem Werkstoff zurzeit nichts vorbei.


KraftwerkForschung.info: Welche Perspektiven sehen Sie für das 700°C-Kraftwerk?

Zickler: Unsere Betriebserfahrungen mit den Hochtemperatur Werkstoff Teststrecken sind sehr positiv. Hervorzuheben ist die direkte Zusammenarbeit zwischen industrieller Praxis und der Forschung. Unsere bisherigen Ergebnisse der Werkstoffuntersuchungen werden dazu beitragen, höhere Dampfparameter technisch möglich zu machen.

Aktuell geförderte Projekte:

Hochtemperatur Werkstoff Teststrecke

Das Modell zeigt die Versuchs- anordnung der Hochtemperatur Werkstoff Teststrecke im Block 6 des Grosskraftwerks Mannheim.

Hintergrundinformation

Anfang Oktober 2012 hat das Grosskraftwerk Mannheim eine weitere Hochtemperatur Werkstoff Teststrecke (HWT II) in Betrieb genommen. Das Ziel ist der Test von dickwandigen Bauteilen aus Nickellegierungen für Kraftwerke mit einer Dampftemperatur bis zu 725°C.