RUB-Forscher verbessert Wirkungsgrad von Kraftwerken

Für seine Entwicklung neuer Beschichtungsmaterialien für Gasturbinen erhält Dr. Henry Bosch (Ruhr-Universität Bochum und Forschungszentrum Jülich) heute von NRW-Forschungsministerin Hannelore Kraft den mit 20.000 Euro dotierten Wissenschaftspreis 2004 des Wissenschaftszentrums NRW. Bosch mehrschichtiger Werkstoff erlaubt es, die Brenntemperatur in fossil beheizten Kraftwerken auf bis zu 1325 Grad Celsius zu erhöhen – bisherige Beschichtungen halten nur bis zu 1200 Grad stand. Durch die höhere Brenntemperatur steigt die Energieeffizienz erheblich: Schon bei 50 Grad mehr wächst sie um zwei bis vier Prozent. Die neue Beschichtung bringt sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Vorteile. Die Studie von Dr. Bosch erfolgte im Rahmen einer Promotion an der Fakultät für Maschinenbau der RUB.

Herkömmlicher Hitzeschutz begrenzt die Effizienz

Ca. 90 Prozent des jährlich erzeugten Stroms wird durch Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas gewonnen. Der weltweite Elektroenergieverbrauch beträgt derzeit rund zwölf Milliarden Tonnen Steinkohleeinheiten, bis zum Jahr 2020 werden es etwa 20 Milliarden Tonnen sein. Die Effizienz von fossil beheizten Kraftwerken ist daher eine wichtige Größe, um diesen Bedarf auch in Zukunft decken zu können. Weil die Gasturbine, die in solchen Kraftwerken den Generator antreibt, durch heißes Gas in Rotation versetzt wird, gilt: Je höher die Gastemperatur, desto größer die Effizienz. Bislang war sie allerdings durch die Hitzeschutzbeschichtungen der Brennkammern und Turbinen nach oben begrenzt. Das dafür verwendete Zirkoniumoxid verträgt selbst „nur“ bis zu 1200 Grad Celsius.

Größere Hitze, längere Lebensdauer

Ausgehend von Modellen auf atomarer Ebene entwickelte Dr. Bosch ein Verfahren, mit dem er die Wärmeausdehnung und Leitfähigkeit einer großen Stoffklasse schnell bestimmen konnte. Auf dieser Basis entwickelte er neue Beschichtungen für Brennkammern und Turbinen, identifizierte die optimalen Grundmaterialien, untersuchte die Schichtherstellung und testete seine Proben unter realistischen Bedingungen. Seine Schichtmaterialien halten über 100 Grad C mehr aus als die bisher verwendeten. Als hitzebeständiger und mechanisch stabiler erwies sich ein System aus Neodymzirkonat mit Zirkoniumoxid. Es erreicht maximal 1.325 Grad C und hat eine erheblich höhere Lebensdauer.

Zigtausend Tonnen Kohlendioxid sparen

Die ökonomischen und ökologischen Vorteile sind beträchtlich: Schon 50 Grad mehr steigern die Kraftwerkseffizienz um zwei bis vier Prozent; ein um ein Prozent gesteigerter Wirkungsgrad in einer 100 Megawatt-Turbine spart etwa 300.000 Euro jährlich an Brennstoffkosten. „Darüber hinaus hat eine zweiprozentige Wirkungsgradsteigerung eines gasbefeuerten 240-Megawatt-Kraftwerkes eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes von 24.000 Tonnen pro Jahr zur Folge“, erklärt Dr. Henry Bosch. „Bei einem kohlebefeuerten Kraftwerk gleicher Leistung ist die CO2-Reduzierung sogar doppelt so groß.“ Bei der Umstellung der Beschichtung auf die neuen keramischen Wärmedämmschichten sind keine kostenintensiven Investitionen nötig.

Weitere Informationen

Dr. Henry Bosch, MAHLE Ventiltrieb GmbH, Zentrale Werkstoffentwicklung, Haldenstraße 7, Stuttgart, Phone: +49 711 501-4662, Fax: +49 711 501-27 99, Email: henry.bosch@mahle.com