Editorial - VGB PowerTech Journal 8/2015

Effizienzsteigerung durch Qualifizierung von Werkstoffen und Bauteilen im Feldversuch

Dampfkraftwerke bilden in Deutschland und Europa das Rückgrat einer sicheren Energieversorgung und sind mittelfristig – auch bei verstärktem Ausbau der erneuerbaren Energien – unverzichtbar. Die Anforderungen an die Kraftwerkstechnik für Neu- und Bestandsanlagen werden ständig erhöht: Flexible Betriebsweise, Verringerung der Emissionen, Effizienzsteigerung. Insbesondere die Effizienzsteigerung mit Wirkungsgraden > 50 % führen nicht nur zu einer nachhaltigen Verringerung der Emissionen, sondern auch zu einer Schonung der weltweiten fossilen Ressourcen.

Für deutsche und europäische Hersteller von Komponenten thermischer Kraftwerke, die international agieren, ergibt sich somit ein breites Anforderungsspektrum an die vorhandene Kraftwerkstechnik sowie an die Kraftwerkstechnik von morgen. Um erfolgreich neue Technologien bzw. Produkte auf dem internationalen Markt platzieren zu können, ist die Demonstration der technischen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit in Deutschland/Europa essentiell.

Der Forderung nach Effizienzsteigerung, flexibler Betriebsweise und nachhaltiger Reduzierung der Emissionen kann nur durch eine Verbesserung der Technik nachgekommen werden. Neben den technischen Aspekten sind Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit und spezifische Anforderungen der Regelwerke über den Stand der Technik hinaus zu berücksichtigen.

In den vergangenen Jahrzehnten basierte die Weiterentwicklung der Werkstofftechnik für Dampfkraftwerke auf der kontinuierlichen Ansammlung von Betriebserfahrung und der Durchführung von Forschungsprojekten mit Grundlagencharakter. Letztere können jedoch nur die grundsätzlichen Werkstoffeigenschaften und eingegrenzt das besondere Versagensverhalten von hochbelasteten Bauteilen abbilden, da sich in der Realität spezifische Beanspruchungssituationen einstellen, die oftmals einen Zusammenhang mit der Herstellung bzw. Verarbeitung sowie der Einbausituation und der betrieblichen Beanspruchung im Kraftwerk haben.

Die technische und wirtschaftliche Erprobung neuer Werkstoffe sowie die zugehörigen Werkstoffverarbeitungsprozesse in Pilot- und Demonstrationsprojekten ist daher ein wesentlicher Meilenstein in der Qualifizierung neuer Werkstoffe für den großtechnischen Einsatz. Neues und Alternativen sind nicht „risikolos“. Es erfordert ein ständiges Abwägen verschiedener Optionen und ist bei komplexen Fragestellungen nicht immer einfach. Notwendig sind ein ausgeprägtes Wissen in der Verfahrenstechnik, der Betriebsweise und ein ganzheitliches Systemwissen, das die Wertschöpfungskette abdeckt. Die geforderte schnellere Umsetzung von Fortschritten in der Technik erfordert eine gekoppelte Vorgehensweise, d.h. die direkte Einbeziehung aller Beteiligten in der Prozesskette vom Werkstoffhersteller, Kessel- und Rohrleitungsbauer, Systemlieferanten, Gutachter, Wissenschaft und den Kraftwerksbetreibern in eine gemeinsame technisch-wissenschaftliche Aufgabenstellung. Damit wird eine hohe Transferleistung in die Praxis und eine synergetische Kompetenzsteigerung aller Partner erreicht, die letzten Endes ihre Stellung im globalen Wettbewerb stärkt und ihrer Verantwortung als Vorreiter für die kontinuierliche Fortsetzung von Ressourcenschonung und umweltfreundlicher Stromerzeugung gerecht wird.

Im Rahmen des BMWi-Projektes „Untersuchungen zum Betriebsund Versagensverhalten dickwandiger Bauteile für hocheffiziente Kraftwerke“ wurde im Grosskraftwerk Mannheim (GKM) die Hochtemperatur- Werkstoff-Teststrecke II (HWT II) errichtet. Ziel war, Bauteile einer Beanspruchung nach den Bedingungen des Kraftwerksbetriebs, angepasst an die neuen Anforderungen der „Energiewende“, auszusetzen und damit deren Betriebsverhalten zu ermitteln. Mit der Verwendung der Nickelbasislegierungen Alloy 617B und Alloy C-263 wurde eine neue Klasse von Werkstoffen für Druckgeräte des Kraftwerkbaus unter Einhaltung der geltenden Regelwerksbedingungen eingesetzt. Das Festigkeitspotenzial dieser Werkstoffe kann für höhere Temperaturen/Drücke und/oder für dünnwandigere Strukturen ausgenutzt werden, mit denen die Temperaturwechsel des flexiblen Betriebs besser abgetragen werden können.

Nickellegierungen wurden in den bisher errichteten Bauteilen noch nicht als Strukturwerkstoff für dickwandige Druckgeräte, wie z.B. Rohrleitungen, Sammler, Ventile und Gehäuse sowie Formstücke eingesetzt. Die physikalischen und mechanisch-technologischen Eigenschaften der Nickellegierungen unterscheiden sich signifikant von denen der bisher eingesetzten niedrig und hochlegierten Stähle. Diese Unterschiede wirken sich in der Herstellung und Verarbeitung dieser Bauteile und auch im Verformungs- und Versagensverhalten aus. Eine Übertragung von Methoden zur Auslegung bzw. der Ermittlung des Lebensdauerverbrauchs und des Versagens, die erfolgreich bei Bauteilen aus warmfesten Stählen auf Bauteile aus hochwarmfesten Nickellegierungen eingesetzt werden, bedarf der grundsätzlichen Überprüfung, wobei die werkstofftechnischen Besonderheiten zu berücksichtigen sind. Der Betrieb der Teststrecke im GKM stellte eine hervorragende, weltweit einzigartige Möglichkeit dar, diese Methoden zu überprüfen, die Unsicherheiten zu ermitteln und zielgerecht zu optimieren. Mit der erfolgreichen Durchführung des fast 18 Mio. € umfassenden internationalen Projekts haben die beteiligten 29 Partner einen wesentlichen Beitrag geleistet, dass technologische Verbesserungen zur nachhaltigen Steigerung der Effizienz sowie Flexibilität möglich sind und damit auch neue Dampfkraftwerke mit Wirkungsgraden > 50 %, auch unter den Bedingungen der „Energiewende“, einen zuverlässigen Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung leisten können.

Das Projekt wurde gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi, Förderkennzeichen: 03ET2017), mit finanzieller Unterstützung des VGB und über eine Eigenbeteiligung der Projektpartner. Allen an der erfolgreichen Durchführung des Projektes Beteiligten, insbesondere auch dem Projektträger Jülich (PTJ), gilt ein herzlicher Dank. Ohne das hohe Engagement aller Beteiligten wären die anspruchsvollen Projektziele so nicht erreicht worden.