Infrastrukturen – Effiziente Kraftwerke
Mehr Strom, weniger Emission
Weltrekord: Die für das GuD-Kraftwerk in Irsching geplante Gasturbine hat eine Leistung von 340 MW
Als am 9. Dezember 2005 die UN-Klimaschutzkonferenz im kanadischen Montreal ihre Pforten schloss, konnten die 10 000 Delegierten aus 189 Ländern zufrieden sein: Das Kyoto-Regelwerk zur Reduzierung der Treibhausgase soll auch nach 2012 – mit verschärften Vorgaben – weitergeführt werden. Doch wegen der wachsenden Weltbevölkerung und des Wirtschaftswachstums wird weltweit der Energieverbrauch weiter ansteigen – der Ausstoß von Klimagasen lässt sich nur begrenzen, wenn die Regierungen fossile Rohstoffe effizienter ausnutzen und verstärkt auf regenerative Energien setzen (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2004, Schwerpunkt "Endliche Welt"). Neben der Politik ist auch die Industrie mit innovativen Lösungen gefordert – ein Weg, den Siemens seit längerem beschreitet. In Montreal zeichnete die internationale Organisation Climate Group das Unternehmen als einen der Vorreiter des Jahrzehnts beim Klimaschutz aus.
Untermauert wird das durch vier aktuelle Projekte zur umweltfreundlichen Energieerzeugung, etwa im oberbayerischen Irsching bei Ingolstadt. Dort betreibt die E.ON Kraftwerke GmbH ein Gas- und Ölkraftwerk. Wegen der hohen Gaspreise werden die Turbinen seit 1995 allerdings nur noch an wenigen Tagen im Jahr zur Deckung von Spitzenlasten angefahren. "Nun ist aber die Versorgungssicherheit in Deutschland längst nicht mehr so üppig wie früher, vor allem, wenn künftig weitere Atomkraftwerke vom Netz gehen", warnt Alfred Beck von E.ON.
Ab Mitte 2006 wird Siemens daher in Irsching einen weiteren Kraftwerksblock realisieren, der neue Maßstäbe bei Wirtschaftlichkeit und Leistung setzt. Technisch einzigartig ist allein schon die Leistung: 340 MW sind Weltrekord für eine einzelne Gasturbine. Nach der Testphase wird die Anlage auf eine Gas- und Dampfturbinen-Anlage erweitert, um auch noch das heiße Abgas der Gasturbine zur Energieerzeugung zu nutzen (Grafik oben). Die Gesamtleistung des Blocks wird dann bei 530 MW und der Gesamtwirkungsgrad bei 60 % liegen – 1,6 Prozentpunkte höher als beim bisherigen Weltrekordhalter, dem ebenfalls von Siemens gebauten Kraftwerk Mainz-Wiesbaden. "Mit dieser Gasturbinenanlage in Irsching betreten wir technisches Neuland", betont Dr. Johannes Teyssen, Vorstandsvorsitzender der E.ON Energie AG, und fügt hinzu: "Dank des höheren Wirkungsgrads erwarten wir zudem geringere Erzeugungskosten".
Einen Rekord wird Irsching nach der Fertigstellung im Jahr 2011 auch beim Klimaschutz aufstellen: Wegen des hohen Wirkungsgrads wird es pro Jahr 40 000 t weniger von dem Treibhausgas Kohlendioxid ausstoßen als die heute üblichen Kraftwerke. Möglich machen das technische Weiterentwicklungen, etwa ein mit Computern optimiertes Design der Turbinenschaufeln oder neue Werkstoffe, die mechanisch belastbarer sind und dank derer die Schaufeln größer dimensioniert werden konnten. Diese sind zudem mit Keramik beschichtet und halten höheren Verbrennungs- und Abgastemperaturen stand. Dies steigert die Effizienz, denn der Wirkungsgrad der Anlage wird maßgeblich beeinflusst von der Temperaturdifferenz des heißen Gases beim Eintritt in die Gasturbine zu der Temperatur des Kondensats beim Verlassen der Dampfturbine.
In Unterhaching in Bayern wird ein Geothermiekraftwerk künftig Wärme aus dem Erdinneren zur Stromerzeugung nutzen (links unten: Simulation des Maschinenhauses; oben: Außenansicht)
Mehr Energie durch Abkühlung. Im norwegischen Kårstø nördlich der Stadt Stavanger baut Siemens bis Sommer 2007 ein 420-MW-Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk, das Kühlwasser aus der eisigen Nordsee bezieht. "Bereits dadurch liegt der Gesamtwirkungsgrad um bis zu einem Prozentpunkt höher, als wenn das gleiche Kraftwerk an der wärmeren Donau stünde", erklärt Dr. Martin von Hassel, Projektleiter bei Siemens Power Generation, "Aber auch technisch haben wir viel optimiert."
So haben die Siemens-Experten den Gasturbinenläufer axial verschiebbar ausgeführt, um eine bessere Abdichtung zu erreichen: Auf diese Weise strömen weniger Verbrennungsgase ungenutzt durch den kleinen Spalt zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse. Auch wurde in die Dampfturbine eine größere Niederdruckturbine eingebaut – damit lässt sich der Dampfdruck besser ausnutzen. Wie im bayerischen Irsching sind auch in Kårstø zwei Dampfturbinen nachgeschaltet, die den heißen Abgasen das letzte Quäntchen nutzbarer Energie entziehen: Fast 60 % wird dann auch hier der Gesamtwirkungsgrad betragen. Weiteres Highlight ist eine Katalysatoranlage, die die Stickoxidwerte in den Abgasen auf 2 ppm senkt. Ein rekordverdächtig niedriger Wert – in den USA etwa gelten vergleichbare Kraftwerke mit einem vier- bis fünffach so hohen Ausstoß bereits als sauber.
Auch bei Steinkohlekraftwerken lässt sich mit moderner Technik noch viel verbessern. Derzeit liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad dieser Kraftwerke in Deutschland bei 37 %. Bereits 45 % soll dagegen ab 2009 das Kohlekraftwerk Waigaoqiao III in der Nähe von Shanghai erzielen, für das Siemens die Hauptkomponenten für zwei 1000-MW-Dampfturbinen und einen Generator liefern wird. China strebt eine hohe Effizienz seiner Kraftwerke an, unter anderem weil der Stromverbrauch im Reich der Mitte zu zwei Dritteln durch einheimische Kohle gedeckt wird. Im geplanten Kraftwerk werden nun Dampfdruck und -temperatur auf Werte im so genannten ultra-überkritischen Bereich gesteigert, bis auf 270 bar bei 600 °C. Diese Steigerung ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Energie und damit einen besseren Wirkungsgrad. Zugleich stellt dies aber besondere Anforderungen an die Hochtemperatur-Komponenten wie Welle, Schaufeln und Gehäuse der Hoch- und Mitteldruckturbine – was wiederum innovative Designkonzepte und neueste Werkstoffentwicklungen erfordert. Sogar für noch höhere Temperaturen bis 700 °C laufen bereits Forschungen.
In die Tiefe gehen. Ganz ohne Emissionen, Rückstände und fossile Energieträger kommt die Geothermie aus – die Wärme aus der Erde. Siemens Industrial Solutions and Services (I&S) wird in Unterhaching bei München ein hochmodernes Geothermiekraftwerk bauen. Eine Stadt, die das Glück hat, dass 3 300 m unter ihr eine wasserführende Schicht durch 122 °C heißes Gestein fließt. Das daraus geförderte Wasser würde zwar bei Atmosphärendruck sofort verdampfen, doch kann man damit wirtschaftlich noch keine Turbine antreiben – das lohnt sich erst ab 180 °C. Daher überträgt ein Wärmetauscher in der Anlage die thermische Energie des Wassers auf ein Medium, das schon bei deutlich tieferen Temperaturen verdampft. Dessen Dampf treibt dann die Turbine an.
Das Kraftwerk wird das erste in Deutschland sein, das den Kalinaprozess (siehe Kasten) für den Wärmetauscher verwendet. "Es ist im wahrsten Sinne des Wortes ein regeneratives Kraftwerk", bestätigt Roland Lutz von I&S, "denn wir pieksen die Erde nur punktuell an und nutzen die Wärme, die im Erdinneren ständig nachgeliefert wird." Die Techniker rechnen mit einer Leistung von 3,36 MW – damit lassen sich in Deutschland etwa 6 000 Vier-Personen-Haushalte mit Strom versorgen.
Der kommerzielle Betrieb soll Mitte 2007 starten. Das in Deutschland geltende Erneuerbare-Energien-Gesetz stellt eine verlässliche finanzielle Förderung regenerativer Energien sicher, etwa durch einen garantierten Strompreis von 0,15 €/kWh – daher wird das Kraftwerk langfristig rentabel arbeiten. Neben der elektrischen Energie liefert das Thermalwasser zudem Heizwärme für etwa die Hälfte der 20 000 Einwohner von Unterhaching. Dazu werden von den 150 l, die pro Sekunde gefördert werden, 25 l abgezweigt und in ein Fernwärmenetz gespeist. Durch die Anlage werden jährlich 12 000 t CO2, 7 t Schwefeldioxid und fast 11 t Stickstoffoxide vermieden.
                                                                                                                 Bernhard Gerl
Jeder Bergmann kennt die Faustregel: Pro 100 m Tiefe steigt die Gesteinstemperatur in der Regel um 3 °C. Die Wärme im Erdinneren kommt zu einem Drittel vom hohen Druck der darüber liegenden Erdschichten, zwei Drittel stammen aus dem Zerfall der radioaktiven Elemente Uran und Thorium in der Erdkruste. In einem 3 km tiefen Bohrloch ist es also zwischen 80 und 120 °C warm, in 5 km Tiefe sogar 130 bis 160 °C. Wasser, das in diesen Tiefen in Aquiferen – mit Grundwasser gefüllte Spalten und Rissen – gefunden oder künstlich in sie hineingeleitet wird, verdampft daher an der Erdoberfläche sofort. Doch ist der Druck, der sich dabei aufbaut, zu gering, um damit effektiv Turbinen anzutreiben. Deshalb setzen Kraftwerksbauer in Fällen wie in Unterhaching auf Wärmetauscherkonzepte: Das im Erdinneren erhitzte Wasser erwärmt in einem Wärmetauscher ein Medium, das bereits bei tieferen Temperaturen siedet, etwa schon bei 50 °C. Der Dampfdruck dieses Mediums ist dann viel höher als der des 122 °C heißen Wassers und kann darum effektiver eine Turbine antreiben. Das Thermalwasser wird nach dem Wärmetauscher wieder in die Erde zurückgeleitet. Stand der Technik war bis vor kurzem das ORC-Verfahren (Organic Ranking Cycle) bei dem die Turbinen von relativ umweltschädlichen Fluorchlorkohlenwasserstoffen (Siedepunkte -40 °C bis +50 °C) oder vom Kohlenwasserstoff Isobutan (Siedepunkt -11,7 °C) angetrieben werden. Neuere Anlagen verwenden das Kalina-Verfahren (nach dem russischen Ingenieur Alex Kalina), bei dem ein Wasser-Ammoniak-Gemisch verwendet wird, das sich weit über den Siedepunkt des Ammoniaks (-33,7 °C) hinaus erhitzen lässt – der Ammoniak verdampft entsprechend schneller. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Wärmetauschers – die Energie des Thermalwassers lässt sich besser nutzen. Das Ammoniak-Wasser-Gemisch erzielt die höchstmögliche Stromausbeute für Dampfturbinen-Kleinkraftwerke, vor allem bei Niedertemperaturquellen. Die Maschinentechnik für den Kalina-Prozess unterscheidet sich dabei nur unwesentlich von der des konventionellen Wärmekreislaufs mit reinem Wasserdampf.
