Die Steigerung des Wirkungsgrades ist seit den Anfängen der Kraftwerkstechnik eine der großen Daueraufgaben für den Ingenieur – ursprünglich allein aus wirtschaftlichen Motiven, nämlich zur Einsparung von Brennstoffkosten. Heute sind der Umwelt- und Klimaschutz als weitere wichtige Triebfedern hinzugekommen.

Im Verlauf der letzten 40 Jahre wurde der Wirkungsgrad von Braunkohlekraftwerken parallel zur Steigerung der Blockleistung schrittweise erhöht, vor allem durch Anhebung der Dampfzustände sowie durch Weiterentwicklung der Dampfturbinentechnik und des Kraftwerksprozesses. Der heutige technische Stand erlaubt bei neu zu bauenden Braunkohlekraftwerken einen Wirkungsgrad von 43 Prozent. Ähnlich verlief die gleichzeitige Weiterentwicklung des Steinkohlenkraftwerks, bei dem heute ein Wirkungsgrad von 46 Prozent möglich ist.

Das BoA-Kraftwerk Niederaußem (BoA = Braunkohlekraftwerk mit optimierter Anlagentechnik) hat einen Wirkungsgrad von 43 Prozent und ersetzt Altanlagen mit einem Wirkungsgrad von etwa 32 Prozent. Sein spezifischer Brennstoffverbrauch liegt also um gut ein Viertel niedriger als der der Altanlagen. Schon der Ersatz der Altanlagen durch heutige Technik brächte also bereits einen nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz.

Gas- und Dampfturbinen

Noch spektakulärer verlief die Entwicklung der Gas- und Dampfturbinen-Technik (GuD-Technik). Während erste Anlagen wie das Heizkraftwerk München-Süd Anfang der 1980er Jahre einen Wirkungsgrad – ohne Heizwärmeabgabe – von 40 Prozent aufwiesen, lassen sich heute 58 Prozent ebenfalls ohne Heizwärmeabgabe erreichen. Beim Ersatz eines alten Steinkohlekraftwerks durch ein modernes erdgasbefeuertes GuD-Kraftwerk könnte man also den Brennstoffverbrauch nahezu halbieren und den Kohlendioxid-Ausstoß je Kilowattstunden (kWh) auf nur 35 Prozent seines ursprünglichen Wertes absenken.

Großes Potenzial für die Zukunft

Damit ist das technische Potential aber noch nicht ausgeschöpft. Aktuelle Weiterentwicklungen zielen auf eine weitere Anhebung des Wirkungsgrads ab. Sie konzentrieren sich bei Dampfkraftwerken auf Materialentwicklungen zur Beherrschung höherer Dampfzustände und Prozess- und Komponentenverbesserungen zur Verminderung von Wärmeverlusten.

Der heutige Spezialstahl P91erlaubt Dampfzustände von 580°C und 270 bar. Um hoch überkritische Dampfzustände von 700°C und 300 bar beherrschen zu können, sind Legierungen auf Nickelbasis notwendig. Entsprechende Entwicklungsprogramme sind im Gange und werden von der EU unterstützt. Von den Prozessoptimierungen werden Zweifach-Zwischenüberhitzung und Abfallwärmenutzung bereits praktiziert. Hinzukommen werden Komponentenoptimierungen wie strömungstechnische Verbesserungen der Turbine und Kühlungsoptimierung des Generators. Bis zum Jahr 2020 gelten Wirkungsgrade von 53 Prozent als erreichbar.

Ähnliche Ansätze verfolgt die Weiterentwicklung der GuD-Technik mit dem Ziel eines Wirkungsgrades um 62 Prozent. Auf der Materialseite geht es um Gasturbinen-Schaufelwerkstoffe mit hohem Nickelanteil und Einkristallstruktur sowie um Schutzschichten der Schaufeln gegen Korrosion und gegen die Temperatur des Heißgases. Andere Entwicklungen zielen auf eine Reduzierung der benötigten Kühlluftmenge für die Gasturbinenschaufeln bzw. auf die Verwendung von Dampfkühlung.

Forschung für günstigen und klimafreundlicheren Strom

Diese Arbeiten sind Bestandteil eines neuen Forschungskonzeptes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie zur Realisierung emissionsarmer Kraftwerke auf Basis fossiler Energieträger. Dieses COORETEC-Konzept sieht ein abgestuftes Vorgehen vor. Zum einen wird kurz- und mittelfristig die konsequente Weiterentwicklung auf Basis bestehender Technologien angestrebt, um die am raschesten nutzbaren Potentiale der CO₂-Minderung zu realisieren. Zum anderen werden parallel dazu zusätzliche Entwicklungs-Aktivitäten für neuartige Kraftwerkskonzepte forciert, mit denen mittel- und langfristig weitere Wirkungsgradsteigerungen und CO₂-Reduzierungen einschließlich der Option zur CO₂-Abscheidung möglich werden.

Eine generelle Anmerkung ist zu den angegebenen Zielwerten für Kraftwerkswirkungsgrade zu machen: Diese Werte sind als Nennwerte auf dem Typenschild einer Anlage zu verstehen und gelten für die Anlage im Neuzustand, unter optimalen Kühlbedingungen und bei Dauerbetrieb im Bestpunkt nahe der Volllast. In der Praxis sind Abschläge für Alterung, Kühlturmeinsatz, Sommerbetrieb, Teillast- und Lastfolgebetrieb usw. zu machen.