Wirkungsgrade

Steigende Wirkungsgrade

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.

Diagramm: Die Netto-Wirkungsgrade neuer Braunkohlekraftwerke, aufgetragen über die Zeit. Sie stiegen von 1960 bis Mitte der 1970er Jahre um 5 Prozent auf 35 Prozent, mit 600 Megawatt Leistung. Bis Mitte der 1990er Jahre stagnierte der Wirkungsgrad, dann ging es bis kurz nach 2000 noch einmal um 10 Prozent aufwärts.
Wirkungsgrade neuer Braunkohlekraftwerke

Nach Angaben der DPG-Studie „Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem“ vom Juni 2010 beträgt der mittlere Wirkungsgrad der der derzeit in Betrieb befindlichen mit fossilen Energien betriebenen Kraftwerke weltweit etwa 30 Prozent, in China und Russland nur 22 Prozent, in der EU und Deutschland jedoch im Mittel rund 38 Prozent.

Insgesamt handelt es sich um einen intensiven technischen Entwicklungsprozess. So wurde in Deutschland im Verlauf der letzten vierzig Jahre 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. So kann bei neuen Braunkohlekraftwerken ein Wirkungsgrad von bis zu 43 Prozent erreicht werden. Ähnlich verlief die Weiterentwicklung des Steinkohlenkraftwerks, bei dem heute ein Wirkungsgrad von 46 Prozent möglich ist.

Für die damit einhergehende Effizienzverbesserung und CO2-Einsparung des deutschen Kraftwerkparks ist das Braunkohlekraftwerk mit optimierter Anlagentechnik Niederaußem mit seinem Wirkungsgrad von 43 Prozent ein gutes Beispiel, denn es ersetzt Altanlagen mit einem Wirkungsgrad von nur 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

Die Grafik stellt nach rechts den Werkstoff und nach oben den Wirkungsgrad dar. Neue Werkstoffe erlauben danach immer höhere Drücke und Temperaturen für den Dampf. Das bewirkt auch einen höheren Wirkungsgrad: statt 42 Prozent bei 167 bar und 538 Grad Celsius sind es schon 47 Prozent bei 300 bar und 720 Grad. Prozessoptimierung liefert weitere drei Prozent. Dazü gehört Zwischenüberhitzung, Verbesserung der Turbinen, Abgasnutzung und Verringerung des Eigenenergiebedarfs.
Wirkungsgrad von Kohle befeuerten Dampfkraftwerken

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 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.

Ein großes Potenzial zur Reduktion von CO2 bei der Stromerzeugung bestände auch beim Ersatz von Braunkohle durch Erdgas, denn dadurch würden die spezifischen CO2-Emissionen  halbiert; beim Ersatz von Steinkohle können sie immer noch um den Faktor 1,7 gesenkt werden.

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 P91 erlaubt Dampfzustände von 580 Grad und 270 bar. Um hoch überkritische Dampfzustände von 700 Grad 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.

Nach oben aufgetragen ist hier der Wirkungsgrad, nach rechts die Zeit. Der Wirkungsgrad steigt mit höheren Drücken und Temperaturen in den Turbinen. Zwischenüberhitzung und ein optimierter Dampfprozess bringen Steigerung von 47 auf 49 Prozent, bei 60 bar und 1000 Grad Celsius. Weitere kleinere Verbesserungen ermöglichen Steigerungen bis auf 110 bar bei 1230 Grad Celsius, dem würde ein Wirkungsgrad von 60 Prozent entsprechen.
Wirkungsgrad von Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken

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 zum Beispiel für Alterung, Kühlturmeinsatz, Sommerbetrieb, Teillast- und Lastfolgebetrieb zu machen.