Projekt-Cluster / 23.10.2012
Werkstoffe für über 700 °C Dampftemperatur
Dampfkraftwerke mit einer Einspritztemperatur von über 700 °C und 350 bar Druck haben einen höheren 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.
Nickel-Basis-Legierungen für über 600 °C
In der Vergangenheit hat es zahlreiche Versuche gegeben, Stähle zu entwickeln, die hohe Dampftemperaturen von bis zu 650 °C ertragen. Bislang war keine Entwicklung wirklich erfolgreich. 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 drastische Anhebung der Dampftemperaturen auf mehr als 700 °C möglich. Damit sind in Dampfkraftwerken künftig Wirkungsgrade von mehr als 50 % möglich. Zu berücksichtigen ist auch, dass künftig durch den wachsenden Anteil von Importkohlen unterschiedlicher Herkunft die Brennstoffqualität stärker schwanken wird. Die Kraftwerkstechnik muss besonders flexibel ausgelegt werden, um dennoch höchste Wirkungsgrade zu erreichen.
Forschungsziele
- Entwickeln von Nickel-Basis-Werkstoffen für gesteigerte Dampftemperaturen (ähnliche Forschung läuft in USA und Japan),
- Weiterentwickeln der eisenbasierten Werkstoffe für den Einsatz im Verdampfer und in der Dampfturbine,
- Schichtsysteme zur Reduzierung von Oxidation, Korrosion und Erosion bei den im Hochtemperaturbereich eingesetzten Werkstoffen des 700 °C-Kraftwerks weiterentwickeln,
- Dichtungstechnik verbessern,
- große Guss- und Schmiedeteile herstellen,
- Schweißen von dickwandigen Bauteilen,
- Entwickeln eines geeigneten Herstellungsverfahrens für Rohre mit großem Durchmesser.
Perspektiven
Für Frischdampfzustände von über 700 °C und bis zu 350 bar Druck müssen neue Auslegungskonzepte wie auch Verbindungs- und Dichttechniken erforscht werden. Insbesondere die COORETEC-Projektförderung widmet sich der Werkstoffqualifizierung. Die Perspektiven für das konventionelle, auf dem Brennstoff Kohle basierende Dampfkraftwerk lassen sich daher so zusammenfassen:
- 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.
