Forschungsinitiative „Kraftwerke des 21. Jahrhunderts“

Gründe für den anstehenden Energiestrukturwandel sind die fortgeschrittenen Kraftwerkslaufzeiten, die Entwicklung auf den Öl- und Gasmärkten, bezogen auf Deutschland aber auch der geplante Ausstieg aus der Kernenergie.

Insbesondere für die Kraftwerksbetreiber gilt es jetzt strategische Entscheidungen für eine zukunftssichere Energieversorgung zu treffen. Diese bedeuten ein hohes Risiko aufgrund des benötigten Kapitalaufwands.

Aus diesem Grund haben die Länder Baden-Württemberg und Bayern 2004 die mit vierjähriger Laufzeit geplante Initiative „Kraftwerke des 21. Jahrhunderts“ (KW21) mit Forschungseinrichtungen und Industriepartnern ins Leben gerufen. Die Initiative umfasst 36 Einzelprojekte von der wirtschaften Analyse, über Beiträge zum Simulations- und Prozessmonitoring bis hin zu Technologie- und Werkstoffentscheidungen. Eine erste Bilanz wurde am 20. Juli 2006 gezogen.

Fünf Projektinnovationen unter Förderung der Energie Baden-Württemberg AG (EnBW)

Als Innovator in Energiefragen und Betreiber beispielsweise eines der modernsten Steinkohlekraftwerke Deutschlands in Altbach bei Stuttgart fördert die EnBW fünf der 36 Einzelprojekte. Hierzu gehören:

• Kriterien für Kraftwerksentscheidungen
• Optimierung des Betriebs konventioneller Kraftwerke durch simulationsgestütztes Prozessmonitoring
• Simulationsgestützte Optimierung der Beanspruchung und der Lebensdauer von Kesselbauteilen
• Zünd- und Löschverhalten von Erdgasen in Gasturbinenbrennkammern
• Aufbau und Entwicklung eines laserbasierten Online-Messsystems zur Kontrolle der Erdgaszusammensetzung für den Kraftwerksbetrieb.

Kriterien für Kraftwerksentscheidungen

Zu welchem Zeitpunkt soll in welche Kraftwerkstechnologie investiert werden? Vor dem Hintergrund dieser alles entscheidenen Frage zielt das von der EnBW geförderte Projekt auf Untersuchungen zur Risikoanalyse ab. Neben Preis- und Mengenrisiken werden u.a. auch politische Unsicherheiten in die Betrachtung aufgenommen.

Die gesamtwirtschaftliche und die einzelwirtschaftliche Analyse erlauben gesicherte Prognosen für den Kraftwerksbestand in Deutschland und für den Kraftwerkspark jedes Energieunternehmens.

Mit Hilfe des Projekts wird für Kraftwerksbetreiber ein repräsentatives Kraftwerksportfolio zusammengestellt. Ergebnis sind konkrete Investitionsempfehlungen mit überschaubarem Risiko.

Optimierung des Betriebs konventioneller Kraftwerke durch simulationsgestütztes Prozessmonitoring

Durch das geplante Simulatorsystem werden die Feuerungs- und Dampferzeugungsprozesse in industriellen Kraftwerken kontrolliert.

Über die Auswertung und den Vergleich der Daten über einen längeren Zeitraum können entscheidende Optimierungen, z.B. bei der Konzentration von Schadstoffen, vorgenommen werden. Damit trägt das System dazu bei, Betreiberrisiken durch z.B. Produktermüdung zu senken und das Wissensmanagement vor Ort auszubauen.

Bis Ende 2006 wird ein erster Prototyp getestet, der stufenweise bis Ende 2008 erweitert wird.

Simulationsgestützte Optimierung der Beanspruchung und Lebensdauer von Kesselbauteilen

Kesselbauteile wie Membranwände und Überhitzerrohre sind einer hohen Beanspruchung aus Druck, Temperatur und Korrosion/Erosion ausgesetzt.

Das EnBW-geförderte Projekt wird dazu beitragen, dass die Materialerschöpfung bereits so früh bestimmt und mit Gegenmaßnahmen versehen werden kann, dass Unfallrisiken und Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert werden.

Betreiber erhalten hiermit ein völlig neuartiges Werkzeug zur Effizienzsteigerung und Betriebsoptimierung von thermischen Kraftwerken.

Ein erster Feldversuch auf Basis vielversprechender Vorabtests wird bereits Ende 2006 gestartet.

Zünd- und Löschverhalten von Erdgasen in Gasturbinenbrennkammern

Für moderne Gasturbinen sind drei Faktoren im Kraftwerksbetrieb entscheidend:

• eine geringe Schadstoffemission
• eine hohe Effizienz und
• eine hohe Zuverlässigkeit.

Bedingt durch die Verknappung der Vorräte an fossilen Energieträgern wird zukünftig eine hohe Brennstoffflexibilität hinzukommen.

Zur Erreichung insbesondere einer geringen Schadstoffemission erfolgt in einem sogenannten Vormischbrenner die Vermischung von Luft und Brennstoff. Hierbei kommt es zu komplexen chemischen Reaktionen. Ihr kontrollierter Ablauf ist entscheidend für den Betrieb der gesamten Anlage.

Mit Hilfe der am Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart betriebenen Brennkammer werden zukünftig Zündungen nicht nur analysiert, sondern auch gesteuert. Das Projekt trägt damit gezielt zur Flammenstabilisierung und zum kontrollierten Brennerbetrieb bei.

Aufbau und Entwicklung eines laserbasierten Online-Messsystems zur Kontrolle der Erdgaszusammensetzung für den Kraftwerksbetrieb

Je nach Ort und Zeit ergeben sich Schwankungen bei der Erdgaszusammensetzung und damit beim Heizwert.

Das innovative Online-Messsystem auf Laserbasis, das die EnBW als Industriepartner unterstützt, ermöglicht, dass die Werte individuell im laufenden Betrieb ermittelt werden können. Bei Messzeiten von wenigen Sekunden wird eine Messgenauigkeit im ppm-Bereich erzielt. Außerdem zeichnet sich das neue System gegenüber herkömmlichen Gaschromatographen durch eine einfache Bedienbarkeit, Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse, ein geringes Gewicht und leichte Erweiterbarkeit aus.

Aus den online gewonnenen Messdaten können Experten Ableitungen treffen, die zu einer Vermeidung von Bauteilschäden, von überhöhten Flammentemperaturen und von Brennkammerschwingungen beitragen.