Kohlekraftwerke der Zukunft: sauber und wirtschaftlich

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Kohlekraftwerke
der Zukunft:
sauber und wirtschaftlich
BMWi,
VGB,
VDEW,
FDBR,
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Technische Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber e.V.
Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke e.V.
Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau e.V.
Kohlekraftwerke der Zukunft:
sauber und wirtschaftlich
BMWi, Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie
VGB,
Technische Vereinigung der
Großkraftwerksbetreiber e.V.
VDEW, Vereinigung Deutscher
Elektrizitätswerke e.V.
FDBR, Fachverband Dampfkessel-,
Behälter- und Rohrleitungsbau e.V.
Juli 1999
Vorwort
Die Bundesregierung will eine zukunftsfähige Energieversorgung auf den Weg bringen, die langfristig ohne
Kernenergie auskommt. Deutschland soll als attraktiver Standort für Investitionen im Energiesektor erhalten
bleiben und seine hohe Kompetenz in modernen Technologien und im Anlagenbau auf dem Weltmarkt ausbauen, damit Arbeitsplätze in Deutschland erhalten und möglichst viele neue geschaffen werden.
Die Energieversorgung in Deutschland und weltweit wird auch künftig auf fossile Energieträger angewiesen
sein. Der längerfristig schrittweise zurückgehende Versorgungsanteil der Kernenergie in Deutschland wird,
weil Energieeinsparung und erneuerbare Energien nur allmählich höhere Beiträge leisten können, nicht ohne
den Bau neuer Stromerzeugungskapazitäten – zentral wie dezentral – auf Basis fossiler Energieträger möglich sein. Neben Erdgas spielt Kohle eine zentrale Rolle.
Kohle ist angesichts günstiger Preise und großer wirtschaftlich zu gewinnender Vorräte mit einem Anteil
weltweit von knapp 40 % heute der bedeutendste Energieträger in der Stromerzeugung. In Deutschland werden gegenwärtig mehr als 50 % des Stroms aus Kohle erzeugt. Deutschland hat eine lange Tradition in
Kohleverbrennungs- und Kraftwerkstechniken und verfügt dementsprechend über große Erfahrungen auf
diesem Gebiet. Angesichts des weltweit steigenden Energieverbrauchs und der Herausforderungen des globalen Klimaschutzes ist effiziente deutsche Kohlekraftwerkstechnik weltweit gefragt.
Unter großen wirtschaftlichen und technischen Anstrengungen wurden die Schadstoffemissionen aus
Kohlekraftwerken – vor allem Schwefeldioxid, Stickoxide und Staub – in den letzten 15 Jahren drastisch
gesenkt. Auch die Wirkungsgrade der Kraftwerke sind verbessert worden. So wird heute zur Erzeugung einer
Kilowattstunde Strom ein gutes Drittel weniger Kohle gebraucht als noch 1960. Um die bei
Kohleverbrennung unvermeidbar entstehenden CO2-Emissionen weiter zu reduzieren, ist es notwendig, den
Strom aus noch weniger Kohle zu erzeugen, d. h. den Wirkungsgrad der Umwandlung noch weiter zu verbessern. Forschung und Entwicklung in Deutschland waren und sind entscheidender Motor für technischen
Fortschritt und wissenschaftlich-technische Spitzenleistungen.
Der vorliegende Forschungs- und Entwicklungskatalog ”Kohlekraftwerke der Zukunft – sauber und wirtschaftlich” wurde auf Initiative des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie in einer Arbeitsgruppe mit Vertretern aus Unternehmen der Elektrizitätswirtschaft, des Anlagenbaus und deren Fachverbänden erarbeitet. Der Bericht zeigt Potentiale für weitere Verbesserungen der Kohlekraftwerkstechnologie
auf und nennt künftige Arbeitsschwerpunkte. Um die hohe Kompetenz der deutschen Industrieunternehmen
zu erhalten, wird es auch künftig notwendig sein, die industrielle Forschung durch staatlich unterstützte
Forschung zu flankieren.
Kohlekraftwerkstechnologie ist moderne Hochtechnologie, die Arbeitsplätze in Deutschland langfristig
sichert und maßgeblich zu einer zukunftsfähigen Energieversorgung beiträgt; nicht nur in unserem Land, sondern weltweit!
Dr. Werner Müller
Bundesminister für Wirtschaft und Technologie
3
Vorwort
Aller Voraussicht nach wird sich die weltweite Stromerzeugung bis 2020, bezogen auf 1990, nahezu verdoppeln. Der größte Teil der neuen Kraftwerke wird überwiegend mit Kohle arbeiten, einer reichlich vorhandenen, recht gleichmäßig verteilten und damit vergleichsweise preisstabilen Primärenergiequelle, die weltweit
der bedeutendste Energieträger zur Stromerzeugung und einer der Tragpfeiler für den Lebensstandard der
Weltbevölkerung bleibt.
Das Prinzip der Nachhaltigkeit bedeutet auf die Stromerzeugung übertragen, weltweit für Strom aus umweltverträglichen Kraftwerken mit der jeweils besten verfügbaren Technologie zu sorgen, die vor allem auch
bezahlbar ist. Besonders die Nutzung der Kohle hat dies zu berücksichtigen, auch angesichts der physikalischchemischen Gesetzmäßigkeit, daß Kohlenstoff bei der energetischen Nutzung in CO2 umgewandelt wird. Die
Zielsetzung, technische Lösungen für eine gleichzeitig „saubere“ und dabei wirtschaftliche Kohlenutzung zu
entwickeln, ist weltweit Gegenstand von nationalen und internationalen „Clean-Coal-Technology“Programmen.
In Deutschland haben diese Bemühungen, 1994 dargestellt in einem gemeinsamen Situationsbericht des
damaligen Bundesminsteriums für Forschung und Technologie (BMFT) und der Industrie, dazu geführt, daß
die deutsche Kohlekraftwerkstechnik weltweit eine technische Spitzenposition einnimmt. Es geht nun darum,
diese Position in Zukunft zu sichern.
Die Entwicklung der Kohlekraftwerkstechnik wird geprägt von der Liberalisierung der Strommärkte, vom globalen Wettbewerbsdruck der herstellenden Industrie und nicht zuletzt von den Verpflichtungen aus dem
Vertrag von Kyoto für Europa und die Welt. „Effizienz in der Kraftwerkstechnik“ heißt deshalb der Schlüsselbegriff der Zukunft für die rechtzeitige Vorbereitung auf den Ersatz alter Anlagen durch Neubauten. Dem
trägt der vorliegende von einer Arbeitsgruppe aus Vertretern des Bundesministeriums für Wirtschaft und
Technologie (BMWi), der Kraftwerksbetreiber sowie der Hersteller erarbeitete Bericht Rechnung.
Die Forderung des Marktes nach Effizienz ist der Motor für Innovation und Zusammenarbeit in der Kraftwerkstechnik: Gemeinschaftliches Handeln ist auch bei der Verbreitung und Umsetzung technischer Fortschritte gefragt. Das Forschungs- und Entwicklungsziel zur Erhöhung des Kundennutzens lautet: Erhöhung
des Wirkungsgrades und Senkung der Investitionskosten zur Steigerung der Produktivität.
Derzeitige Forschungsschwerpunkte in der Kraftwerkstechnik sind die Programme
– KOMET 650 zur Optimierung des Dampfkraftprozesses durch die Erprobung CO2-mindernder Maßnahmen
im Kraftwerk,
– ERKOM zur Entwicklung von Verwertungstechniken für Verbrennungsrückstände und
– DRUCKFLAMM zur Entwicklung eines Kombikraftwerks mit Druckkohlenstaubfeuerung.
Mit solchen Programmen bewährt sich die Gemeinschaftsforschung auch in einem wettbewerbsorientierten
Umfeld und stützt damit die Position der Kraftwerkstechnik dieses Landes auch im Rahmen der europaweiten Bestrebungen zur Emissions- und Kostensenkung.
Professor Dr. W. Hlubek
Vorsitzender der VGB e. V.
Dr. jur. H. Klinger
Präsident der VDEW e. V.
Dipl. -Ing. W. Heitmann
Vorsitzender des FDBR e. V.
5
Inhalt
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Seite
Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1. Die Bedeutung der fossilen Energieträger für die Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2. Zielsetzungen der Forschung, Entwicklung und Demonstration für die Kraftwerkstechnologie . . . . 14
l Modernisierung und Erweiterung des Kraftwerksparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
l Umweltschutz und CO2-Minderungsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
l Öffnung des Strommarktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
l Position der deutschen Kraftwerkstechnik auf dem Weltmarkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3. Zusammenarbeit bei Forschung, Entwicklung und Demonstration für Kraftwerkstechnologien . . . . 19
l Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
l Beitrag der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
l Beitrag der Hochschulen und Forschungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
l Beitrag der staatlichen Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
l Wege einer intensiveren europäischen Zusammenarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4. Schwerpunkte der Entwicklung von Kraftwerkstechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
l Dampfkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
l Kombikraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
l Kombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
l Kombikraftwerk mit integrierter Vergasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
l Kombikraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
l Stromerzeugung mit Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5. Verbesserungskonzepte und Forschungsbedarf für Verfahren, Anlagenkomponenten und
Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
l Dampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
l Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
l Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
l Feuerungen und Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
l Verwertung und Entsorgung von Prozeßrückständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
l Heißgasreinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
l Techniken der Prozeßführung und -überwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
l Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6. Künftige Aufgaben und Prioritäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Anhang: Kraftwerkstechnologien (Überblick) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Liste der Beteiligten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7
Aufgabenstellung
In Deutschland steht heute die Energiewirtschaft vor der Aufgabe, sichere und wirtschaftliche Versorgung,
Ressourcenschonung und Klimaschutz sinnvoll zu verbinden. Die deutschen Anlagenbauer müssen darüber
hinaus ihre Technologiekompetenz ausbauen.
Um diese Aufgaben zu erfüllen und darüber hinaus die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen zu erhalten, müssen aus Forschung und Entwicklung rechtzeitig entsprechende neue Optionen angeboten werden. Dafür ist zu klären, auf welchem Wege die angestrebten Ziele am besten erreicht werden
können.
Die Kraftwerkstechnik verfügt dafür über ein großes Entwicklungspotential.
Fortschrittliche Technologien für fossil gefeuerte Kraftwerke trugen und tragen dazu bei, die energie- und
umweltpolitischen Zielsetzungen zu erreichen, die Aufgabenstellungen der Unternehmen zu erfüllen und im
Wettbewerb gegenüber ausländischen Anbietern zu bestehen. Weitere technische Verbesserungen sind konkret absehbar, bedürfen aber einer gezielten staatlichen Förderung von Forschungs-, Entwicklungs- und
Demonstrationsvorhaben.
Die Kohle wird nach Abschätzungen wissenschaftlicher Institute weltweit auch zukünftig einen erheblichen
Anteil an der zunehmenden Strom- und Wärmeversorgung aus Großkraftwerken (Kap. 1) decken müssen.
Durch höhere Wirkungsgrade in Kraftwerken können die CO2-Emissionen erheblich abgesenkt werden.
Den Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken weiter zu verbessern, ist eine sehr komplexe und anspruchsvolle
Optimierungsaufgabe für die Forschung, Entwicklung und Demonstration in einem hochentwickelten
Industrieland, aber auch eine Herausforderung für den Abgleich öffentlicher und privatwirtschaftlicher
Interessen (Kap. 2).
Der mittlere Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken liegt weltweit heute in der Größenordnung von 30%; der
aktuelle technologische Stand gestattet jedoch Wirkungsgrade von etwa 45% (Bild 1). Die Entwicklung verbesserter und neuer Technologien mit höheren Wirkungsgraden alleine reicht jedoch nicht aus; es ist auch
notwendig, diese Technologien verstärkt in den internationalen Markt zu bringen. Neue Technologien können international besser in den Markt eingeführt werden, wenn deren Leistungsfähigkeit anhand von
Demonstrationsanlagen nachgewiesen wird. Darüber hinaus sind auch in Deutschland verstärkt Altanlagen
durch neue zu ersetzen .
Die Verbesserung des mittleren Wirkungsgrades der weltweit installierten
Flotte kohlebefeuerter Kraftwerke hängt davon ab, in welchem Umfang
hocheffiziente Technologien installiert werden
60
NettoWirkungsgrad [%]
Szenario mit fortgeschrittenen Technologien
50
40
Gegenwärtig
weltweit installierte
Leistung kohlebefeuerter Kraftwerke: 1075 GW
Durchschnittliches
Alter der Kraftwerke:
22 Jahre; davon
11 % älter als 40a;
60 % älter als 20a
Szenario mit fortgeschrittenen
Technologien und verstärkt
vorangetriebenen Ersatz von
Altanlagen (>40a)
Technologischer Stand des
Auslegungswirkungsgrades
30
Szenario mit fortgeschrittenen Technologien
Mittlerer Wirkungsgrad der weltweit
installierten Kraftwerke
20
10
0
1945
1955
1965
1975
1985
1995
2005
2015
Quelle: Siemens/KWU
Ref GP/Vg/ETA-Welt(Regionen)1.ppt
Bild 1:
Entwicklung des Auslegungswirkungsgrades und des weltweiten mittleren Wirkungsgrades kohlebefeuerter Kraftwerke
9
Eine Vielzahl von Aktivitäten im Bereich der Forschung, Entwicklung und Demonstration neuer Kraftwerkskonzepte ist heute nur durch eine Bündelung aller Kräfte möglich (Kap. 3). Die staatliche Forschungsförderung bleibt ein unabdingbarer Impulsgeber und Katalysator. Für ihren effektiven Einsatz ist in jedem
Einzelfall eine enge Abstimmung zwischen Wirtschaft, Wissenschaft und Politik erforderlich.
Welche Detailziele stellen sich hier? Dieser Frage geht der vorliegende Bericht nach. Von Kraftwerksbetreibern und -herstellern gemeinsam identifizierte technologische Forschungs-, Entwicklungs- und
Demonstrations-Aufgaben für innovative Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen betreffen die Gesamtkonzeption (Kap. 4) ebenso wie die dazu jeweils nötigen Entwicklungs- und Verbesserungsarbeiten an
Komponenten, Verfahren und Werkstoffen (Kap. 5).
10
1. Die Bedeutung der fossilen Energieträger für die
Energieversorgung
In Deutschland wird der Primärenergiebedarf derzeit zu über 85 % durch fossile Energieträger (Erdöl, Braunund Steinkohle, Erdgas) gedeckt; außerdem werden Kernenergie, Wasserkraft und erneuerbare Energien
genutzt.
Die Bundesregierung will die Strukturen der Energieversorgung verändern. In diesem Zusammenhang wird
die Bedeutung der Energieeinsparung und der erneuerbaren Energieträger wachsen. Dabei spielen europaweite und globale Veränderungen eine Rolle.
Weltweit wird trotz aller Bemühungen um Energieeffizienz und Energieeinsparung nach Einschätzungen des
Weltenergierates (Houston 1998) der Weltenergieverbrauch von 12,9 Mrd. t SKE1 im Jahr 1990 bis 2020 auf
19,5 Mrd. t SKE pro Jahr ansteigen; beträgt heute der Verbrauch pro Kopf der Bevölkerung und Jahr durchschnittlich 2,3 t SKE , so kann er künftig bis auf 2,5 t SKE wachsen.
Die Zunahme des Energiebedarfs wird überwiegend durch das Wachstum der Weltbevölkerung und den
angestrebten höheren Lebensstandard vor allem in weniger entwickelten Regionen verursacht. Der wachsende Verbrauch von Kohle, Erdgas und Erdöl führt zu einem weiteren Anstieg der Schadstoffbelastung der
Atmosphäre, des Wassers und des Bodens. Vor dem Hintergrund des wachsenden Energiehungers der Welt ist
daher die möglichst sparsame und effiziente Nutzung der Energieressourcen insbesondere in den OECDLändern, aber auch in den industriellen Schwellenländern, ein wichtiges Zukunftsgebot. Die Versorgung der
in den Schwellenländern stark wachsenden Bevölkerung mit ausreichender und bezahlbarer Energie ist ein
vorrangiges Ziel für eine friedliche Zukunft. Die Herausforderung an die Technik, diese Versorgung unter
größtmöglicher Schonung der Umwelt zu marktkonformen Preisen sicherzustellen, ist gewaltig und erfordert
in hohem Maße auch Forschung und Entwicklung.
Weit über das Jahr 2020 hinaus wird der Primärenergiebedarf der Welt zu etwa 35 bis 50 % durch feste
Brennstoffe, vor allem durch Kohle, gedeckt werden. Die Gründe dafür liegen in den großen, wirtschaftlich
Bild 2:
1)1
Weltweite Reserven an Kohle, Erdöl und Erdgas nach Regionen (Stand 1995)
t SKE = 1 t Steinkohleneinheit = 29,308 Gigajoule oder 29 308 Megajoule
11
25000
Mrd. kWh
20000
Stromerzeugung
aus Kohle
15000
Stromerzeugung
gesamt
10000
38,1 %
5000
38,4 %
38,3 %
40,5 %
0
1971
1993
2000
2010
Quelle: International Energy Agency - World Energy Outlook 1996 - Capacity Constraints Case
Bild 3:
Entwicklung der Bruttostromerzeugung der Welt gesamt und des Anteils aus Kohle
abbauwürdigen Kohlevorkommen (Bild 2) sowie in der günstigen regionalen Verteilung, die einen homogenen Weltkohlemarkt zu langfristig stabilen Preisen ermöglicht (Bild 3).
Zur Stromerzeugung in Deutschland tragen allein Braun- und Steinkohle über 50 % bei, außerdem Erdgas ca.
10 % (Bild 4). Dadurch entstehen fast 38 % der gesamten CO2-Emissionen des Landes. Nach heutiger
Einschätzung ist zu erwarten, daß der Stromverbrauch in Deutschland bis etwa zum Jahre 2010 nur geringfügig wächst. Nachdem jüngst bestehende Anlagen in größerem Umfange ertüchtigt und in den neuen
Bundesländern bis zum Jahre 2000 die Neubauprojekte abgeschlossen wurden, wird der weitere Neubau großer Kraftwerke zumeist erst nach 2010 notwendig sein; allerdings geht der Zubau kleinerer Anlagen weiter.
Kleinere Anlagen, die einzelne Objekte bedarfsgerecht versorgen sollen, erleichtern die Nutzung der KraftWärme-Kopplung und regenerativer Energiequellen. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß nur das Zusammenspiel von zentralen und dezentralen Anlagen zu einer optimalen Stromerzeugungsstruktur führen kann.
Heizöl1,0
1,0 %
Heizöl
%
Wasserkraft4,0%
Sonstige
1,8%
%
Sonstige1,8
Erdgas9,9
Erdgas
9,9%
%
Kernenergie
Kernenergie
32,0 %
32,0 %
Braunkohle
Braunkohle
25,5 %
25,5 %
Steinkohle25,8
25,8%%
Bild 4:
12
Stromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern 1997
Kleine Anlagen allein können die Versorgungssicherheit nicht gewährleisten. Der dort erzeugte Überschußstrom muß an das Verbundnetz übergeben werden, andererseits wird zeitweise zusätzlicher
Fremdstrom benötigt. Das Verbundnetz muß, dies ausgleichend, stabil Spannung und Frequenz der
Stromversorgung gewährleisten. Seine Funktion und die Wirtschaftlichkeit der Gesamtversorgung hängen
wesentlich von der Netzstabilisierung durch große Kraftwerke ab.
Der wirtschaftlich günstige Primärenergieträger Kohle kann aus ökonomischen und ökologischen Gründen
nur in großen Stromerzeugungseinheiten sinnvoll genutzt werden.
Der weltweite Bedarf an elektrischer Energie ist in den vergangenen drei Jahrzehnten überproportional zum
Wirtschaftswachstum um den Faktor 5 auf 12.500 TWh pro Jahr gestiegen.
Strom ist eine sehr anwender- und umweltfreundliche Energieform. Mit hohen Wirkungsgraden kann sie der
Verbraucher in die gewünschte Nutzenergie, wie Kraft, Licht und Wärme, umwandeln, aber auch für Steuerund Regelfunktionen nutzen. Die Modernisierung und Automatisierung industrieller Prozesse ist ohne
Einsatz von elektrischer Energie kaum möglich. Strom ermöglicht darüber hinaus die Nutzung der
Umgebungswärme zu Heizzwecken durch Wärmepumpen.
Der 17. Kongreß des Weltenergierates in Houston machte deutlich, daß 1998 mehr als zwei Milliarden
Menschen in den Entwicklungsländern – immerhin 40 % der Weltbevölkerung – keinen Zugang zur Elektrizität oder zu anderen kommerziellen Energieträgern haben. Gerade Schwellen- und Entwicklungsländer
werden aus wirtschaftlichen Gründen zunehmend eigene Kohlevorkommen für die Stromversorgung nutzen,
um damit die elementaren Ansprüche ihrer wachsenden Bevölkerung an die Lebensqualität zu befriedigen.
Für diese Länder werden ebenso verstärkt auch erneuerbare Energieträger eingesetzt werden, die aber allein
auf absehbare Zeit den Bedarf nicht decken können.
13
2. Zielsetzungen der Forschung, Entwicklung und
Demonstration für die Kraftwerkstechnologie
Die Forschungsaufgaben in der deutschen Kraftwerkstechnik werden heute weit stärker als noch vor wenigen Jahren durch folgende Notwendigkeiten bestimmt:
q Die deutschen Energieversorgungsunternehmen müssen sich auf einen europaweiten brancheninternen
Wettbewerb einstellen, die Verbraucherpreise werden sinken. Damit wird der Kostendruck auf
Stromerzeugung und -bereitstellung wachsen.
q Die Wirtschaft benötigt eine kostengünstige und sichere Stromversorgung, um ihrerseits konkurrenzfähig
zu bleiben und damit Arbeitsplätze im Lande zu erhalten.
q Die deutsche anlagenbauende Industrie muß ihre Wettbewerbsfähigkeit auf dem Inlandsmarkt und vor
allem auf dem Weltmarkt erhalten, um Technologiewissen und ihre heimischen Arbeitsplätze zu sichern.
Daher ist es notwendig, im Wettbewerb mit den anderen Industrienationen das technische Niveau ständig
zu verbessern.
q Politik und Gesellschaft in Deutschland erwarten eine umweltfreundlichere Energieversorgung, wie z.B.
zuletzt auf den Umweltgipfeln in Kyoto und Buenos Aires festgelegt. Veränderungen müssen aber auch
den Kriterien der Nachhaltigkeit gewachsen sein.
Angesichts langer Vorlaufzeiten muß bereits jetzt Forschung, Entwicklung und Demonstration verstärkt werden, um die Stromerzeugerkapazitäten auf hohem Niveau modernisieren und erweitern zu können.
Modernisierung und Erweiterung des Kraftwerksparks
Deutschland kann als Referenz für umweltfreundliche Kraftwerkstechnik mit hohen Wirkungsgraden gelten.
Die Aufgabe, die Schadstoffemissionen an SO2 und NOx aus Kraftwerken zu reduzieren sowie den
Staubaustrag zu vermindern, wurde in Deutschland durch Ertüchtigung bestehender Anlagen weitgehend
gelöst (Bild 5).
Bild 5:
14
Entwicklung der SO2- und NOx-Emissionen aus Kraftwerken in der Bundesrepublik Deutschland (alte
und neue Bundesländer)
Die Modernisierung und Erweiterung des Kohlekraftwerksparks durch Neuanlagen mit insgesamt fast
9000 MW in wenigen Jahren setzt weltweit Maßstäbe hinsichtlich Umweltverträglichkeit und Effizienz
(Tabelle 1).
Brennstoffart
Standort
Bruttoleistung
in MW
Betreiber
Jahr der Inbetriebnahme
Wahl der Technologie
Umweltschutzstandard
elektr. Nettowirkungsgrad
in %
1)
2)
Staudinger
553
Steinkohle
Rostock
HammUentrop
5531)
350
Ensdorf
Braunkohle Mitteldeutschl.
Schkopau
Lippendorf
543
2 x 503
2 x 933
PreußenElektra
Kraftw./ Power
Gen/NRG
Energy
1997
VEAG / Bayernwerke / EnBW
Stadtwerke
1999/ 2000
1999
Preussen
Elektra
KNG
Rostock
VEW
Energie
RWE Energie/VSE
1992
1994
2002/
2003
2004
Staubfeuerung / überkritischer Dampferzeuger
Rauchgasentschwefelung und -entstickung
42,5
43,0
Kraft-/wärmegekoppelte Anlage mit 150 MW Wärmeleistung
Kraft-/wärmegekoppelte Anlage mit 220 MW Wärmeleistung
45,0
47,5
Rauchgasentschwefelung und NOxarme Verbrennung
40
42,3
3)
Druckwirbelschichtfeuerung
4)
Projektname im rheinischen Revier: Braunkohlenkraftwerk mit optimierter Anlagentechnik (BoA)
915
Braunkohle
Rheinland
NiederaußemBoA4)
950
VEAG
VEAG
RWE Energie
1997/98
2000
2002
Braunkohle Lausitz
Cottbus
Schwarze
Pumpe
722)
2 x 808
Boxberg
DWSF3)
Staubfeuerung/ überkrit. Dampferzeuger
SOx- und NOx-arme
Verbrennung
Rauchgasentschwefelung
und NOx -arme Verbrennung
40
41
41,5
45
Tabelle 1: Neubau von Kohlekraftwerken größerer Leistung in Deutschland ab 1992
Die Herstellerunternehmen für Kraftwerkskomponenten haben bisher im heimischen Umfeld ihre
Leistungsfähigkeit bewiesen, müssen sich aber ebenso als Exporteure dem globalen Wettbewerb der
Konkurrenz stellen. Es sind große Anstrengungen erforderlich, um die vorhandene Kompetenz auf diesem
Wissens- und Entwicklungsgebiet im internationalen harten Wettbewerb zu erhalten und zu stärken. Das
bedeutet insbesondere, den in Deutschland erreichten Entwicklungsstand der Technik exportfähig zu
machen.
Umweltschutz und CO2-Minderungsstrategie
Aufbauend auf den bisherigen Erfolgen im Umweltschutz zur NOx-, SO2- und Staubminderung strebt die
deutsche Bundesregierung ein CO2-Reduktionsziel von 25 % an (bezogen auf den Zeitraum 1990 bis 2005).
Die deutsche Wirtschaft leistet hierzu auf Basis ihrer Selbstverpflichtungserklärung vom März 1995 – aktualisiert im März 1996 – einen wesentlichen Beitrag.
Eine Minderung der CO2-Emissionen aus fossilbefeuerten Kraftwerken kann über mehrere Optionen erreicht
werden, deren Forschungs-, Zeit- und Investitionsbedarf unterschiedlich groß sind:
Wirkungsgraderhöhung
Der beste Weg, eingesetzte Brennstoffe bei der Stromerzeugung effizienter zu nutzen und dadurch zugleich
die Ressourcen zu schonen, ist ein höherer Wirkungsgrad. Diese Zielsetzung muß daher vorrangig verfolgt
werden. Im Betrieb befindliche Kraftwerke haben derzeit in Deutschland durchschnittliche Wirkungsgrade
von 33 bis 36%, weltweit ca. 30%. Dagegen werden beim Neubau von Kondensationskraftwerken z. Z.
Nettowirkungsgrade von 45 % (Steinkohle) bzw. 41 % (Braunkohle) erreicht.
Der Neubau einer einzigen 500-MW-Anlage mit einem Wirkungsgrad von 45% gegenüber einem heute
durchschnittlichen Wirkungsgrad von 36% erspart jährlich 380 000 t CO2 und 135 000 t Steinkohle, unterstellt
man einen Jahreseinsatz von nur 4 000 Stunden (Mittellastbetrieb). Die Reduzierung beträgt 20%!
Innovative Techniken eröffnen die Perspektive, mittelfristig die Wirkungsgrade von Kohlekraftwerken auf
über 50 % zu erhöhen. Dies setzt voraus, daß weitere intensive Anstrengungen bei Forschung, Entwicklung
und Demonstration erfolgreich sind. Neben den positiven ökonomischen Auswirkungen können damit auch
die Umweltbelastungen durch CO2 und Schadstoffe weiter reduziert werden.
Wirkungsgradsteigerungen sind aber nicht nur bei Kraftwerksneubauten realisierbar. Entwicklungserfolge
der jüngsten Vergangenheit ermöglichen die Ertüchtigung bestehender Kraftwerke durch Optimierung von
Anlagenkomponenten oder des thermodynamischen Prozesses. Zwischen 1993 und 1998 führten in
15
Deutschland über 300 wirkungsgradsteigernde Einzelmaßnahmen an bestehenden fossil befeuerten Kraftwerken zu einer jährlichen CO2-Reduktion von ca. 10 Mill. t.
Auch dieses Minderungspotential gilt es, durch gezielte Forschung und Entwicklung weiter auszubauen.
Einsatz von Erdgas
Derzeit werden Ersatz- und Zubaukapazitäten vorrangig durch erdgasgefeuerte kombinierte Gas-/
Dampfturbinenkraftwerke (sogenannte GuD-Kraftwerke) realisiert. Sie können heute bei niedrigen
Investitionskosten Wirkungsgrade bis etwa 58% erreichen, eignen sich aber nicht zum bivalenten Einsatz von
festen Brennstoffen – in der Vergangenheit eine wesentliche Gewähr für wirtschaftliche Flexibilität und
Versorgungssicherheit.
Sollte der Erdgaspreis während der Lebensdauer der Anlagen wesentlich steigen, ist ihre Wirtschaftlichkeit in
Frage gestellt. Trotz des gegenwärtigen Trends zu GuD-Kraftwerken wird auch zukünftig ein Großteil des
Stromes aus Kohle gewonnen werden müssen. Daher sind die auch in ferner Zukunft gesicherten Alternativen
auf der Basis von Kohle weiter zu entwickeln.
Mitverbrennung von Abfällen und Biomasse
Durch die Mitverbrennung von Abfällen und Biomasse in Kohlekraftwerken kann der Einsatz von fossilen
Brennstoffen reduziert werden. Dadurch wird zugleich die CO2-Bilanz verbessert. Entsprechende Versuche
und Untersuchungen laufen.
Nutzung nichtfossiler Primärenergieträger
Der Einsatz von nichtfossilen Energieträgern wie Kernenergie und Wasserkraft, Wind- und Sonnenenergie
vermeidet CO2-Emissionen. Die Bundesregierung hat Maßnahmen eingeleitet, um auf längere Sicht spürbar
den Beitrag der erneuerbaren Energieträger zur Stromversorgung und damit zur CO2-Minderung zu vergrößern. Im Jahre 1996 lag ihr Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland bei 4,7% . Die EU-Studie „Die
Energie in Europa bis zum Jahre 2020“ hält einen Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung
des Jahres 2020 von 12 % in der Europäischen Union für möglich; allein die Wasserkraft bestreitet davon
11 %.
Ein Ausstieg aus der Kernenergie wäre zumindest in Deutschland auf absehbare Zeit nicht ohne Mehreinsatz
fossiler Brennstoffe auszugleichen.
Tabelle 2 zeigt die durch den Einsatz erneuerbarer Primärenergieträger vermiedenen CO2-Emissionen in der
Elektrizitätserzeugung in Deutschland im Jahre 1996.
Primärenergieträger
Sonnen- und Windenergie
Wasserkraft (ohne Pumpwasser)
Biomasse
Müll
Summe erneuerbarer Energieträger
zum Vergleich:
jährliche Elektrizitätserzeugung (netto)
2,0 Mrd. kWh
16,2 Mrd. kWh
0,8 Mrd. kWh
2,1 Mrd. kWh
jährlich vermiedene
CO2-Emissionen
2,1 Mill. t
17,3 Mill.
0,9 Mill. t
2,2 Mill. t
21,1 Mrd. kWh
22,5 Mill. t
Gesamterzeugung
448 Mrd. kWh
Gesamt-CO2-Emissionen
272 Mill. t
Tabelle 2: Elektrizitätserzeugung und vermiedene CO2-Emissionen durch den Einsatz erneuerbarer Primärenergieträger in der öffentlichen Versorgung 1996 in Deutschland (Quelle: VDEW - Vergleichsbasis:
50 % Steinkohle, 50 % Braunkohle)
CO2-Abtrennung
Untersuchungen der Internationalen Energieagentur (IEA) haben gezeigt, daß aus technischen und ökonomischen Gründen derzeit CO2-Rückhalteeinrichtungen in Kraftwerken und eine Endlagerung nicht eingesetzt
werden können.
16
Zusammenfassend ist zu bilanzieren, daß bei der Beurteilung der Förderung von Forschungs-, Entwicklungsund Demonstrationsvorhaben für jeden der aufgezeigten Wege zur CO2-Minderung der erreichbare
Minderungseffekt im Vergleich zu den Aufwendungen angemessen berücksichtigt werden muß.
Öffnung des Strommarktes
Der deutsche Strommarkt zeichnet sich infolge des Primärenergiemixes, ausreichender Reservekapazitäten
sowie des hohen technischen Stands der Kraftwerke durch eine hohe Versorgungssicherheit aus.
Derzeit werden in Deutschland wie in der gesamten EU die Strom- und Gasmärkte geöffnet. Dieses hat zur
Folge, daß seitens der Kraftwerksbetreiber verstärkt Kostensenkungspotentiale genutzt werden müssen, um
künftig Kunden wettbewerbsfähig, aber auch umweltverträglich versorgen zu können. Um die
Wettbewerbsfähigkeit der Stromerzeugung zu verbessern, ergeben sich folgende Ansatzpunkte:
l Betriebs- und Leistungsparameter der Kraftwerke sind zu optimieren, um niedrige Kosten zu erreichen.
l Die Reservekapazitäten sind auf das künftig notwendige Maß zu beschränken.
l Das Betriebs- und Instandhaltungskonzept ist hinsichtlich der notwendigen Verfügbarkeit zu überdenken.
l Die Anlagen sind so zu ertüchtigen, daß auch preisgünstige Brennstoffe mit stärker schwankenden
Qualitäten eingesetzt werden können bzw. Ersatzbrennstoffe aus Abfall oder Biomasse mitverbrannt werden können.
l Ersatz- und Neubauten sind nur finanzierbar, wenn die Erzeugungskosten bezogen auf die Lebenszeit der
Anlagen wettbewerbsfähig bleiben („Life Cycle Costs“).
Um in diesem Spannungsfeld die Wettbewerbsfähigkeit erhalten und verbessern zu können, kommt der
Weiterentwicklung der Kraftwerkstechnik mit den Zielsetzungen Kostenverringerung und Wirkungsgraderhöhung unter Erhalt der Verfügbarkeit und der CO2-Minderung im In- und Ausland eine Schlüsselrolle zu.
Aufgrund der Konkurrenzsituation werden sich die Unternehmen vor allem von marktferneren Forschungsprojekten zurückziehen. Andererseits wächst aber das Interesse, anwendungsorientierte Forschungsarbeiten im vorwettbewerblichen Raum im Rahmen von sogenannten Verbundvorhaben gemeinsam von
Unternehmen, Hochschul- und Forschungsinstituten durchzuführen. Dadurch werden Zeit, Kosten und Risiken
verringert. Ohne staatliche Förderung sind langfristige oder risikoreiche Entwicklungen in Frage gestellt.
Position der deutschen Kraftwerkstechnik auf dem Weltmarkt
Der zusammenwachsende Weltmarkt hat zu einem verschärften Konkurrenzkampf zwischen den großen
Kraftwerksherstellern, vor allem aus USA, Japan, Deutschland und dem übrigen Europa geführt. Deutschland
erreicht heute einen Marktanteil von ca. 20 % (Bild 6).
Andere
(darunter Japan)
24 %
USA
25 %
Bild 6:
Deutschland
20 %
Europa (ohne
Deutschland)
31 %
Anteile am Weltmarkt für Anlagen der Energietechnik
17
6000
Technische
Akademie Mannheim
2756
498
Kraftwerke in einem sich verändernden Markt TU Darmstadt 1./2. Juli1998
5000
Marktanforderungen
an den Neubau von Kohlekraftwerken
Kohle
143 = 29 %
Marktentwicklung
von 1995 bis 2020
[ GW ]
6000
3000
2614
2756
5000
2000
2000
1000
0
2614
Kohle
1040 = 38%
Kohle
815 = 31 %
0
Kohle
installiert815 = 31%
1995
Installiert
Quelle: DRI/ McGraw Hill/ABB 07/98
Bild 7:
Kohle
1040 = 38 %498
4872
Kohle
143 = 29%
[ GW ]
1000
3000
4872
U. Häuser
Zubau
Zubau
Kohle
1712 = 35 %
Kohle
1712 = 35%
Stillegungen
Stillegungen
installiert
2020
Installiert
Internationale Marktanforderungen im Zeitraum von 1995 bis 2020 für den Bau von Kohlekraftwerken
Deutsche Hersteller exportieren etwa 70 bis 80 % ihrer Produktion (Bild 7). In Deutschland werden in diesem
Bereich zur Zeit etwa 25 000 Menschen beschäftigt. Viele Zulieferungen kommen von kleinen und mittleren
Unternehmen.
Die Weiterentwicklung der Kraftwerkstechnik und Verbrennungsforschung ist von erheblicher Bedeutung für
Standorte wie Deutschland, das auf vielen Teilgebieten eine anerkannt führende Stellung einnimmt. Dazu hat
die Forschungsförderung des BMBF in der Vergangenheit nicht unwesentlich beigetragen.
Aber diese Position gerät in Gefahr.
Die Konkurrenz der Anbieter ließ die Preise und damit die Erlöse auf dem Weltmarkt in den letzten Jahren
dramatisch sinken: die Preise für Kohlekraftwerke sind seit kurzem auf etwa die Hälfte des Standes vor 1990
gesunken, die Preise für große Gasturbinen zur Stromerzeugung um 40 %, im Inlandsgeschäft fielen die
Preise um ca. 10 bis 20 %. Durch diese Preisabschläge geht der Industrie die Möglichkeit verloren, Mittel für
langfristige Forschung einzusetzen. Angesichts des gewachsenen Konkurrenzdrucks müßten aber die FuEAnstrengungen der Firmen eher gesteigert werden.
Konkurrenzdruck und Preisverfall werden durch gezielte staatliche Unterstützung von Herstellern in anderen
Ländern, insbesondere in den USA und Japan, verschärft. Vor allem die Errichtung von Demonstrations- und
Referenzanlagen, die mit hohen Investitionskosten und Risiken verbunden sind, fördern aber die
Markteinführung und den Export neuer Technologien.
Um den Industriestandort Deutschland und die hiesigen Arbeitsplätze im Hochtechnologiebereich
Kraftwerkstechnik zu erhalten, sind der Anstoß und die Förderung von Innovationen zur Umweltverträglichkeit und zu Effizienzverbesserungen eine unabdingbare Notwendigkeit. Gerade bei zukunftsorientierten Techniken, wie die der Gasturbinen oder des Einsatzes neuer Werkstoffe, müssen Entwicklung
und Export auf einem gemeinsam und mit öffentlicher Unterstützung aufgebauten und laufend fortzuentwickelnden hohen Stand der Technik fußen, um der Gefahr des Zurückfallens gegenüber internationalen
Konkurrenten zu entgehen. Nur so kann sich auch die deutsche Wirtschaft bei einem weltweit wachsenden
Kraftwerksmarkt einen größeren Anteil sichern.
18
3. Zusammenarbeit bei Forschung, Entwicklung und
Demonstration für Kraftwerkstechnologien
Ausgangssituation
Die deutsche Kraftwerkstechnik bestimmt das internationale technische, ökonomische und ökologische Entwicklungsniveau mit. Dies ist das Ergebnis einer langen, fruchtbaren Zusammenarbeit von Industrie, Wissenschaft und Staat.
Einer Forschungsförderung des BMBF im Jahre 1995 von ca. 31 Mill. DM für das Gebiet der fossilbefeuerten
Kraftwerkstechnik und der Verbrennungsforschung standen geschätzte industrieseitige Forschungsaufwendungen der EVU und der Hersteller von jeweils ca. 100 Mill. DM gegenüber. Obgleich seit mehreren Jahren in
Deutschland die öffentliche Förderung für FuE auf diesem Gebiet an der Grenze zur Unterkritikalität liegt,
gelang es doch mit einer straffen Organisation, für die Aufgabenfindung und -lösung optimale Ergebnisse zu
erreichen.
Zum Vergleich: Im Haushalt 1998 des US-Department of Energy waren für Forschung, Entwicklung und
Demonstration zur Kohlenutzung (überwiegend für „Clean Coal Technologies“) über 190 Mill. DM und für
das „Advanced Turbine Development Program“ über 80 Mill. DM an Fördermitteln eingeplant.
Auch in Großbritannien sollen im Rahmen einer gemeinsamen Initiative von Industrieunternehmen mit
Forschungseinrichtungen und dem Industrieministerium (DTI) Wege für eine koordiniertere Forschung und
Entwicklung zur Kraftwerkstechnik gefunden werden . Für die Durchführung des Gesamtprogramms über 20
Jahre sind in den ersten 5 Jahren etwa 108 Mio. DM jährlich vorgesehen.
Auf der Basis bisher erarbeiteter FuE-Ergebnisse konnten in Deutschland im Zeitraum von 1990 bis 1997 die
CO2-Emissionen aus fossilbefeuerten Kraftwerken um 9 % gesenkt werden. Durch diese Maßnahmen wurden
im Jahre 1997 ca. 28 Mill. t CO2 weniger als 1990 emittiert.
Das vom BMBF geförderte Verbundforschungsprogramm „Hochtemperatur-Gasturbine“ trug erheblich dazu
bei, daß innerhalb von etwa 10 Jahren der Wirkungsgrad der jeweils größten Maschine von 28 % auf nunmehr 38 % verbessert werden konnte; die NOx-Bildung wurde gleichzeitig auf ein Zehntel reduziert. Im Jahre
1985 erreichte der Export stationärer Gasturbinen (für Kraftwerke) aus Deutschland mit etwa 10 % Anteil am
Weltmarkt seinen tiefsten Stand; der heutige Anteil liegt bei ca. 35 %. Die Position der deutschen Hersteller
konnte also erheblich verbessert werden.
Beitrag der Industrie
Innerhalb der Industrieforschung besteht traditionell eine Arbeitsteilung zwischen Planungs-, Hersteller- und
Betreiberunternehmen. Durch Rückkopplung zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer werden alle
Schritte von der Konzeption bis hin zur Demonstration neuer Kraftwerkstechniken gemeinsam festgelegt. Im
Zuge der Wettbewerbsöffnung operieren heute sowohl deutsche Betreiberunternehmen als auch deutsche
Herstellerunternehmen längst weltweit als Dienstleister für Vorbereitung, Bau und Betrieb von Kraftwerken
bis zur Rolle als IPP („Independent Power Producer“).
Die weltweite Entwicklung von Kohlekraftwerken erfordert künftig eine noch stärkere Zusammenarbeit zwischen Herstellern und Betreibern. Unter dem Aspekt der Klimavorsorge und Ressourcenschonung wie auch
der besseren Exportfähigkeit müssen zwei im Grundsatz widersprüchliche Ziele vereinbar werden:
l In den Industrieländern werden unter dem Vorsorgegedanken für Weltklima und Lebensqualität zukünftiger Generationen umweltfreundliche und hocheffiziente Verfahren und Anlagen entwickelt, die aber zu
relativ hohen Investitionskosten führen,
l in Entwicklungs- und Schwellenländern werden dagegen dringend moderne Techniken mit niedrigen
Investitionskosten benötigt.
19
Mehr als je zuvor besteht also die Zielsetzung für Forschung und Entwicklung heute darin, möglichst umweltfreundliche, hocheffiziente Anlagen zu möglichst geringen Kosten auf den Markt bringen zu können. Dieser
Aufgabe dienende FuE-Maßnahmen sind mit erheblichen Risiken verbunden. Durch gezielten Einsatz der
Forschungsförderung können diese Entwicklungsrisiken minimiert, das Ingenieurpotential gestärkt und das
Technikniveau auf einem weiterhin weltweit wettbewerbsfähigen Stand gehalten werden.
Die Industrie, d.h. Anlagenbauer und Stromerzeuger, ist vorrangig daran interessiert, kurzfristig die Effizienz
und die Zuverlässigkeit der Anlagen zu steigern. Trotz geringerer finanzieller Spielräume müssen sie sich aber
auch an Technologiekonzepten beteiligen, die einen langen Entwicklungszeitraum erfordern.
Beitrag der Hochschulen und Forschungseinrichtungen
Hochschul- und andere Forschungseinrichtungen als Partner von Staat und Industrie tragen zur Erreichung
der genannten Ziele bei, indem sie ihre Forschungskapazität in den Dienst der vorwettbewerblichen technischen Grundlagenforschung und der projektbegleitenden Anwendungsforschung stellen. Um die in der
Industrie benötigten Ingenieure und Naturwissenschaftler in der erforderlichen Zahl und Qualifikation auszubilden, schaffen bewährte Studiengänge, verknüpft mit kontinuierlicher und praxisorientierter
Forschungsarbeit, wichtige Voraussetzungen. So werden innovative Ideen und Konzepte verifiziert und in die
Praxis umgesetzt.
Beitrag der staatlichen Förderung
Der Staat als Forschungs- und Technologieförderer muß mit seiner Politik den sich verändernden
Verhältnissen Rechnung tragen, wobei eine Kernfrage ist:
Auf welche Ziele sollen die gemeinsamen FuE-Anstrengungen von Staat und Wirtschaft im
Kraftwerkssektor konzentriert werden?
Als Grundlage der staatlichen Förderung von Forschungsvorhaben im Bereich Kraftwerkstechnik und
Verbrennungsforschung dient das Energieforschungsprogramm der Bundesregierung. Eine effiziente nationale Forschungsförderung kann die Wirtschaft bei der Bewältigung der globalen Herausforderungen wirkungsvoll unterstützen.
Der Staat sollte unter Beachtung der Aspekte
l der Nutzung von Synergien für den Technologiestandort Deutschland durch vorwettbewerbliche
Gemeinschaftsforschung,
l der langfristigen Reduzierung der Emissionen und der Ressourcenschonung,
l der Entwicklung neuer, zukunftsträchtiger Technologien und der Sicherung ihrer Exportfähigkeit, d.h.
Schaffung und Erhalt von qualifizierten Arbeitsplätzen am Technologiestandort Deutschland,
l der Förderungsparität zu anderen Ländern
die Entwicklung neuer Kraftwerkstechnologien und die begleitende Grundlagenforschung nicht vernachlässigen.
FuE-Vorhaben werden unter den Gesichtspunkten der Zukunftsvorsorge gefördert, sofern die Projektrisiken
erheblich sind und die Kosten nicht allein von den Forschungsstellen (Hochschulen, Großforschung, Industrie)
aufgebracht werden können.
Die staatlichen Fördermaßnahmen konzentrieren sich auf Technologien, die längerfristig bedeutende Verbesserungen im Wirkungsgrad versprechen, die die Nutzung der Kohlevorräte umweltfreundlicher gestalten und
die die deutschen Unternehmen auch für den Weltmarkt stärken. Damit werden aber auch einige Forschungsansätze nicht bzw. nicht mehr verfolgt werden können.
Um die begrenzten öffentlichen Mittel möglichst effektiv im Hinblick auf die genannten Ziele einzusetzen,
sollten folgende Prinzipien angewandt werden:
l Förderung der Grundlagenforschung, um technologische Entwicklung und Weiterentwicklung auf eine
solide Wissensbasis zu stellen,
20
l Förderung von exemplarischen Technologie-Entwicklungen, die konkrete Anwendungschancen bieten,
insbesondere auch aus Sicht der Industrie – eine staatliche Unterstützung für Pilot- oder Demonstrationsanlagen kann aber hierbei nur für den innovativen Anteil erfolgen,
l maximale Eigenfinanzierung durch die interessierten Unternehmen und entsprechende Mitfinanzierung
bei Universitätsvorhaben,
l entsprechend den EU-Beihilferichtlinien mit zunehmender Marktnähe abnehmende Förderquoten,
l Förderung der vorwettbewerblichen Gemeinschaftsforschung der Industrie, Bildung von Forschungsverbünden und Verbundprojekten zu Schwerpunktthemen, um maximale Synergieeffekte zu nutzen (Kompetenzzentren),
l verstärkte Förderung von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) und Qualifizierung der
Zuliefererbetriebe,
l Sicherstellung von kontinuierlichen und langfristig angelegten FuE-Arbeiten (über 10 Jahre) mit zwischenzeitlicher Überprüfung der Förderphasen (etwa alle 3 Jahre, um die Förderziele und die Finanzierung den
aktuellen Entwicklungen anzupassen.
Wege einer intensiveren europäischen Zusammenarbeit
Die Europäische Union fördert die Entwicklung neuer, umweltfreundlicher Kraftwerkstechniken. Dabei stehen Aspekte der grenzüberschreitenden Zusammenarbeit, des Technologietransfers und der Stärkung der
Industrie im Vordergrund. Auf diese Weise sollen wesentliche Beiträge zum Umwelt- und Klimaschutz
(„Global Climate Change“) und zur Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Industrie geleistet werden.
Nationale Forschungsprogramme in europäischen Ländern wie das „Foresight-for-Energy“-Programm zur
Senkung der Stromerzeugerpreise mit „Clean-Coal-Technologies“ in Großbritannien, das französische Programm zur Weiterentwicklung von Kraftwerken mit atmosphärischer zirkulierender Wirbelschichtfeuerung
für Leistungen von 600 MW, das Programm zur Nutzung von Biomassen in Dänemark u.a. festigen auch die
europäische Technologieposition.
Das bestehende hohe Niveau der Forschung in Deutschland gilt es durch nationale Anstrengungen zu erhalten, damit deutsche Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen sich auch weiterhin erfolgreich an
EU-Projekten beteiligen können, in welchen die hier beschriebenen Zielsetzungen auf europäischer Ebene
verfolgt werden.
21
4. Schwerpunkte der Entwicklung von
Kraftwerkstechnologien
Heute werden weltweit ca. 75 % der neuen Kraftwerksleistung auf der Grundlage fossiler Brennstoffe gebaut; davon je etwa zur Hälfte als Dampfkraftwerke und als kombinierte Gas-/Dampfturbinenkraftwerke.
Letztere erreichen – schon thermodynamisch bedingt – höhere Wirkungsgrade, konnten sich aber bisher nur
mit dem Brennstoff Erdgas durchsetzen.
l Wird den kohlebefeuerten Dampfkraftwerken der deutliche Entwicklungssprung durch verbesserte
Materialien und dadurch höhere Prozeßparameter dauerhaft zur Dominanz verhelfen? Auch eine verbesserte Braunkohlevortrocknung kann dazu beitragen.
l Oder werden sich die thermodynamisch höherwertigen, aber innovations- und u.U. investitionsintensiveren kombinierten Gas-/Dampfturbinenkraftwerke auf Kohlebasis, sogenannte Kohle-Kombikraftwerke
(Bild 8), am Markt installieren können? Preiswürdigkeit und ausreichende betriebliche Verfügbarkeit dieser Kraftwerke müssen aber erst noch im Rahmen größerer Demonstrations- bzw. Referenzanlagen nachgewiesen werden.
Letztendlich wird diese Frage nur nach wirtschaftlichen Kriterien beantwortet.
Bild 8:
Kraftwerkswirkungsgrade für unterschiedliche Technologien
Mittelfristig sollten die Kohlekombikraftwerke für den europäischen wie den Weltmarkt weiterentwickelt
werden. Sie können sehr unterschiedliche Brennstoffe besser und umweltfreundlicher nutzen. Dementsprechend spielen auch Dampfkraftwerke mit atmosphärischer Wirbelschichtfeuerung, deren Nutzen/KostenVerhältnis mit gutem Umweltschutz besonders hoch ist, weiterhin eine beachtenswerte Rolle
Die in der Entwicklung befindlichen Brennstoffzellen erweitern die Möglichkeiten der effektiven Strom- und
Wärmeerzeugung. Brennstoffzellen mit hohen Wirkungsgraden und geringen Umweltauswirkungen stellen
22
einen erheblichen Entwicklungsanreiz dar. Im Falle der Etablierung am Markt wird sich ihr Einsatz aber auf
kleine dezentrale Anlagen konzentrieren.
Eine vergleichende Übersicht der genannten Optionen, die im folgenden einzeln dargestellt werden, enthält
der Anhang.
Dampfkraftwerke
Das Dampfkraftwerk stellt zur Zeit die Basisanlage zur Erzeugung elektrischer Energie dar. Diese Rolle wird
der Dampfturbinenprozeß auch in naher Zukunft aus folgenden Gründen behalten:
l Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist möglich.
l Der Dampfprozeß arbeitet mit einem energetisch idealen, leicht handhabbaren und umweltfreundlichen
Arbeitsmedium.
l Mit dem Dampfprozeß können große Einheitsleistungen zu vergleichsweise niedrigen spezifischen
Investitionskosten errichtet werden, eine wesentliche Voraussetzung für niedrige Erzeugungskosten.
l Durch effektive Rauchgasreinigung und eine weitgehende Verwertung der Reststoffe bietet das Dampfkraftwerk eine erprobte, gesamtheitliche Lösung für eine umweltverträgliche Kohleverstromung.
Wesentlicher FuE-Bedarf ergibt sich durch die angestrebte Steigerung des Wirkungsgrades. Dazu müssen
praktisch alle Komponenten des Kraftwerks auf ihr Potential untersucht werden.
Für die weitere Steigerung des Wirkungsgrades existieren verschiedene Ansätze:
l Steigerung der Frischdampfparameter: Temperatur und Druck vor der Turbine können nach Entwicklung
neuer hochtemperaturbeständiger Werkstoffe erhöht werden.
l Steigerung des Dampfturbinenwirkungsgrades: Durch strömungstechnische Maßnahmen und besondere
Schaufelgeometrien kann der innere Wirkungsgrad von Dampfturbinen verbessert werden.
l Steigerung des Dampferzeugerwirkungsgrades: Durch Verbesserung des Verbrennungsablaufes können
der Luftüberschuß in der Feuerung reduziert und die Abgastemperatur verringert werden.
l Reduzierung des Eigenbedarfs: Durch die Auswahl verbesserter Komponenten oder die Festlegung auf
bestimmte Konzepte, wie z. B. einer einsträngigen Ausführung des Blocks, kann der Eigenbedarf des
Kraftwerkes reduziert werden.
l Thermodynamische Konzeption des Kraftwerkes: Durch zusätzliche Vorwärmung und Zwischenüberhitzung kann die Carnotisierung des Dampf-Kraft-Prozesses gesteigert werden.
l Kühlturmauslegung: Durch Absenkung des Kondensatordruckes ergibt sich eine Wirkungsgradsteigerung
des Dampfprozesses. Diese Auslegung bedingt allerdings einen höheren Kühlturm.
Durch konsequente Nutzung dieser Möglichkeiten ist eine Wirkungsgradsteigerung um etwa 5 Prozentpunkte gegenüber den besten bisher ausgeführten Anlagen möglich.
Die Anhebung der Frischdampftemperatur ist die wirksamste Möglichkeit. Höhere Auslegungsparameter auf
der Wasser-Dampf-Seite beeinflussen auch die Wärmeübertragungsverhältnisse in der Feuerung. Der Brenner
und die Verbrennung sind dem anzupassen, damit bei höheren Feuerraumtemperaturen keine Nachteile hinsichtlich Verschlackung, Korrosion und unzureichendem Ausbrand auftreten.
Im Rahmen des BMBF- (nun BMWi-)Verbundprojektes KOMET 650 werden für die Bereiche Dampferzeuger,
Rohrleitungen, Armaturen und Dampfturbinen Materialerprobungen für Temperaturen bis 650 °C sowie die
Entwicklung und Erprobung von Meßtechniken zur Überwachung und Regelung der Dampferzeuger in diesem Temperaturbereich durchgeführt. Ziel ist ein verläßlicher Einsatz der Materialien und Meßtechniken spätestens bis 2002.
Der zwangsläufig erforderliche nächste Schritt ist die Anhebung der Frischdampfparameter auf Werte von
über 700 °C bei 350 bar, womit Kraftwerkswirkungsgrade von mehr als 50 % erreichbar werden. Dafür geeignete Werkstoffe sind noch nicht verfügbar. Die Aufgaben werden nun im Rahmen des EU-THERMIE-Projektes
„Advanced (700 °C) PF Power Plant“ angegangen, ein Projekt, das Entwicklungen über die nächsten 10 bis 12
Jahre beinhaltet. Die Entwicklungen sind mit hohen Erfolgsrisiken verknüpft. Eine ausreichende Förderung
mit öffentlichen Mitteln ist unverzichtbar.
23
Neben der Komponentenauslegung ist auch die Betriebsweise des Dampfkraftwerkes zu optimieren.
Insbesondere ist es erforderlich, die Betriebsbedingungen an verschiedene Brennstoffe anzupassen. Durch
eine kontinuierliche Überwachung des Betriebszustandes des Dampferzeugers und der Dampfturbine kann
man sich deren Belastungsgrenzen besser annähern. Durch diese Betriebsoptimierung wird der Eigenbedarf
an elektrischer Energie und an Dampf wesentlich verringert und damit der Brennstoffeinsatz und auch die
CO2-Emission bei gleicher elektrischer Leistung minimiert.
Kombikraftwerke
Kraftwerke auf Kohlebasis mit kombiniertem Gas-/Dampfturbinenprozeß, sogenannte Kohle-Kombikraftwerke, haben gegenüber dem Dampfkraftprozeß durch Nutzung der Gasturbine ein zusätzliches thermodynamisches Potential zur Steigerung des Anlagenwirkungsgrades.
Druckaufgeladene Kraftwerke weisen generell geringere umbaute Räume auf, da die Reaktionsabläufe viel
intensiver ablaufen (Bild 9).
Bild 9: Größenvergleich 80-MW-Staubfeuerung / Druckwirbelschichtfeuerung
Voraussetzung für ein Kombikraftwerk auf Kohlebasis ist entweder eine Vergasung der Kohle zur Erzeugung
eines gasturbinentauglichen Brennstoffes oder eine Verbrennung unter Druck mit anschließender
Gasreinigung bei hohen Temperaturen und Entspannung der Rauchgase in einer Gasturbine.
Anlagen mit Druckvergasung (IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle) nutzen entweder eine DruckWirbelschichtvergasung oder eine Druck-Flugstromvergasung als erste Stufe im Kombikraftwerk.
Kombikraftwerke mit einer Druckfeuerung setzen entweder die Druckwirbelschichtfeuerung oder möglicherweise künftig die Druckkohlenstaubfeuerung ein. Ein Sonderfall sind hier die „indirekten“ Feuerungen
mit einem der Gasturbine vorgeschalteten Hochtemperatur-Wärmeübertrager.
Kombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung
In einer Druckwirbelschichtfeuerung erfolgt die Verbrennung bei Drücken zwischen 12 und 16 bar und
Temperaturen von ca. 850 bis 950 °C. Für einen problemlosen Betrieb der Gasturbine ist die Reinigung der heißen Rauchgase von Aschepartikeln und die Entfernung schädlicher Spurenstoffe notwendig. Schwefeloxide
können in der Wirbelschicht sehr effizient durch Zugabe von Additiven gebunden werden. Aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperatur werden Stickoxide nur in geringem Maße gebildet.
24
Kombikraftwerke mit stationärer Druckwirbelschichtfeuerung sind inzwischen kommerziell verfügbar.
Demonstrationsanlagen mit 70 – 80 MW Leistung werden in Schweden, Spanien, USA und Japan betrieben.
In den neuen Bundesländern entsteht das erste Heizkraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung für den
Einsatz von Braunkohle (Bild 10). Es werden Möglichkeiten für eine Steigerung der Blockleistung auf 500 bis
600 MW insbesondere in Frankreich und Japan untersucht. Derartige Anlagen können auch sehr aschereiche
Brennstoffe oder Prozeßrückstände nutzen.
Bild 10: Ansicht Heizkraftwerk Cottbus, ABB
Die zirkulierende Wirbelschicht-Variante ermöglicht aufgrund der höheren thermischen Leistungsdichte
höhere Wirkungsgrade und eine noch kompaktere Bauweise; die Schadstoffemissionen werden verringert.
Anlagen mit zirkulierender Druckwirbelschichtfeuerung wurden bisher nur als Pilotanlagen betrieben.
Um bei beiden Bauformen die Wirkungsgrade weiter zu steigern, muß die Rauchgastemperatur bis auf die
zulässige Gasturbinen-Eintrittstemperatur angehoben werden. Dies ist möglich durch Zufeuerung von Öl,
Erd- oder Kohlegas in Hybridprozessen.
Neben der Erzeugung des Kohlegases in einem externen Vergaser ist das in Deutschland vorgeschlagene
Verfahren der „Extrem gestuften Verbrennung“ ein attraktiver Ansatz, weil dieses Verfahren vom
Grundprinzip relativ einfach konzipiert ist. Es gibt keine getrennen Vergasungs- und Wirbelschichtreaktoren,
sondern nur einen Druckreaktor, in dem durch unterstöchiometrische Verbrennung der Kohle ein Schwachgas
erzeugt wird. Nach der Entstaubung wird es in der Gasturbinenbrennkammer vollständig mit Luft bei hohen
Temperaturen verbrannt.
FuE-Bedarf besteht bei der Entwicklung des Verfahrens z. B. bei der Aufteilung der Reaktionsstufen zur
Optimierung des Verbrennungs- und Emissionsverhaltens. U. a. ist zu untersuchen, inwieweit durch Zugabe
von Additiven und unter reduzierenden Bedingungen eine ausreichende Schwefelbindung möglich ist.
Bei Zufeuerung/Nachverbrennung ist eine verstärkte Bildung von thermischen NOx zu vermeiden. Die
Heißgasreinigung ist zu entwickeln.
25
Kombikraftwerk mit integrierter Vergasung (IGCC)
Bis 1998 sind weltweit fünf Demonstrationsanlagen mit Leistungen zwischen 100 und 300 MW mit unterschiedlichen Vergasungsverfahren in Betrieb gegangen. Neben drei Anlagen in den USA gehören hierzu die
europäischen Anlagen in Buggenum (NL) und Puertollano (E), die in europäischer Zusammenarbeit unter
deutscher Beteiligung gebaut wurden (Bild 11).
Bei der Kohlevergasung wird durch unterstöchiometrischen Einsatz von Sauerstoff oder Luft ein Brenngas
erzeugt, dessen Hauptkomponenten Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlendioxid sind. Die Vergasungsreaktion muß möglichst vollständig und mit geringen Nebenreaktionen ablaufen. Dafür muß die Kohle bis zu
einer Körnung, die für die jeweilige Vergasungstechnik optimal ist, aufgemahlen und störende Begleitstoffe
weitgehend abgetrennt werden. Bei Einsatz von Braunkohle, die bis zu 60 % Wasser enthält, muß vorher
möglichst wirtschaftlich getrocknet werden.
Das erzeugte Brenngas wird gereinigt und zur Brennkammer der Gasturbine geleitet. Da die IGCC-Technologie erst am Anfang ihrer großtechnischen Einführung steht, besteht noch entsprechender Bedarf an Entwicklung und Demonstration. Wesentliche Faktoren, um die Marktreife zu erreichen, sind die Senkung der
Bild 11: 335-MW–IGCC–Kraftwerk der ELCOGAS in Puertollano/Spanien
26
Wartungs- und Instandhaltungskosten, eine höhere Verfügbarkeit bei besserer betrieblicher Flexibilität sowie
Verbesserungen im Integrationsgrad der Luftzerlegungsanlage. Entwicklungsarbeiten auf den Sektoren
Anpassung der Gasturbine, Verbrennung von Synthesegasen, Heißgasreinigung, Werkstoffe für reduzierende
Atmosphäre, Membrantechnik zur Gasabtrennung (Coproduktionsprozesse) sowie zur Prozeßmodellierung
sind notwendig.
Kombikraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF)
Bei diesem Verfahren erfolgt die Verbrennung der Kohle in einer druckaufgeladenen kohlenstaubgefeuerten
Brennkammer. Die Rauchgase werden nach der Flüssigasche- und Alkaliabscheidung auf die Gasturbine geleitet. Die Gase erreichen Temperaturen, die dem Niveau moderner Gasturbinen entsprechen.
Im drucklosen Abgasstrom werden bewährte Stickstoffoxidminderungs- und Entschwefelungsanlagen eingesetzt. Da die Asche beim DKSF-Verfahren aufgeschmolzen wird, können die anfallenden umweltneutralen
Reststoffe wie bei der Schmelzkammerfeuerung wirtschaftlich genutzt werden.
Aufgrund der geringen Baugröße der DKSF-Anlage kann auch mit vergleichsweise niedrigen spezifischen
Investitionen gerechnet werden. Eine Großanlage sollte deutlich über 50 % Wirkungsgrad erreichen.
In den vergangenen Jahren wurden im ehemaligen Kraftwerk „Fürst Leopold“, Dorsten, der STEAG AG im
Rahmen eines Verbundprojektes von sechs großen deutschen Industrieunternehmen mit wesentlicher Unterstützung durch das BMBF/BMWi Versuchsanlagen gebaut, mit denen nachgewiesen werden konnte, daß die
direkte Kohleverbrennung unter Druck zu sehr stabilen Flammen führt und die Rauchgase sich mit Hilfe von
Trägheitskräften reinigen lassen.
Die wichtigsten bisherigen Entwicklungsarbeiten wurden in der in Bild 12 dargestellten Versuchsanlage mit
einer Feuerungswärmeleistung von 1 MWth im Druckbereich bis zu 16 bar und Temperaturen bis 1700 °C
durchgeführt.
Die Flüssigasche- und Alkaliabscheidung sind die wichtigsten Entwicklungen, die im Rahmen von Grundlagenforschung und praktischer Erprobung noch zu leisten sind. Mit einem Schüttschichtabscheider konnte
die Konzentration der flüssigen Asche im Rauchgas wesentlich abgesenkt werden.
Darüber hinaus besteht Entwicklungsbedarf auf folgenden Gebieten:
l Vertiefung des Wissens über die Verbrennungsvorgänge unter Druck
l Prüfung des Verfahrens auf Eignung für Braunkohle
l NOx-Bildung, Alkalifreisetzung und Aschetropfengrößenverteilung in Abhängigkeit von der Verbrennungsführung
l Entwicklung von Konstruktions- und Funktionskeramiken, die bei den Betriebsbedingungen den korrosiven und erosiven Angriffen standhalten
l Verbesserung der Kenntnisse über die chemischen und physikalischen Wechselwirkungen
l Entwicklung von Feinststaubabscheidern auf der Basis von Mikrostrukturen, Hochgeschwindigkeitsabscheidern und Nutzung der in Niedertemperaturplasmen entdeckten Ionenwanderungsvorgänge für die
Abscheidung
l Entwicklung von Gaskomponenten- und Partikelmeßeinrichtungen für die Betriebsoptimierung der
Rauchgase vor dem Eintritt in die Gasturbine
l Entwicklung von hochwirksamen Gettermaterialien.
Auf diese Aufgaben werden sich zukünftige Arbeiten der nächsten Jahre konzentrieren müssen.
Konzeptstudien für eine großtechnische Anlage und die Planung einer Versuchsanlage mit einer Leistung von
etwa 10 MWth sind die notwendigen Schritte, die anschließend folgen sollen.
Stromerzeugung mit Brennstoffzellen
Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Der Brennstoffzellenprozeß ist
daher nicht an die Grenzen des Carnot-Wirkungsgrades gebunden. In der Vergangenheit wurde diese Technik
ausschließlich in der Raumfahrt und im militärischen Bereich eingesetzt. Durch die Entwicklung kostengünstiger Werkstoffe und Fertigungsverfahren könnten Brennstoffzellen in einigen Jahren den Durchbruch im
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Bild 12: Versuchsanlage „Druckkohlenstaubfeuerung Dorsten“, STEAG
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Bereich der elektrischen Energieerzeugung, der Kraft-Wärme-Kopplung und in der Antriebstechnik für
Straßenfahrzeuge schaffen.
Derzeit werden vorrangig folgende Brennstoffzellentypen entwickelt:
l Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC)
l Phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC)
l Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC)
l Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC)
Sie unterscheiden sich durch die Wahl des Elektrolyten; von ihm sind auch die Betriebstemperatur und die
Brennstoffauswahl abhängig (Bild 13).
Typ
Elektrischer Wirkungsgrad
.
(Temperatur)
O 2-Quelle
SOFC
55 (900°C)
Luft
MCFC
55 (650°C)
PAFC
40 (200°C)
H 2O
PEMFC
40-50 (80°C)
H 2O
AFC
30 (40°C)
O 2(Oxidkeramik)
Luft,CO
2
Luft
Luft/O
O
2
2
Kathode
Quelle:RWE Energie AG
Ionentransport
C O 32(Karbonatschmelze)
Brennstoff
CO,H
2
,CH
4
C O2 , H 2 O
4
C O2 , H 2 O
,Methanol
CO,H
2
,CH
H+
(Phosphorsäure)
H
2
H+
(Polymermembran)
H
2
OH(Kalilauge)
H
2
H 2O
Anode
Reaktionsprodukte
Bild 13: Wichtige Brennstoffzellentypen und ihre Funktionsweise
Die Brennstoffzellen haben zum Teil kommerzielle Reife erreicht ( PAFC ). Sie befinden sich für die Typen
MCFC, SOFC und PEMFC mit Leistungen von 100 – 300 kW für den stationären und 10 – 100 kW für den mobilen Bereich in der Erprobungs- oder in der Demonstrationsphase.
Die erfolgreichen Betriebserfahrungen von PAFC-BHKW-Anlagen in den vergangenen Jahren haben ein reges
Interesse bei Entwicklern und Anwendern für die unterschiedlichen Brennstoffzellen-Typen und ihre
Anwendungen hervorgerufen. Langfristig werden jedoch nur die Niedertemperatur-Brennstoffzelle PEMFC
und die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC) für einen kommerziellen Einsatz geeignet sein.
Erwartet werden erste kommerzielle Anlagen ab 2002 – 2005 .
Der Einsatz der PEMFC wird dabei vorwiegend im mobilen Bereich gesehen. Daneben kann sie auch in der
dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung im Nahwärmesektor eine gewisse Rolle spielen, z.B. als Haus-Energiezentrale. Ausgehend von den hohen Entwicklungsaufwendungen zur Nutzung im Automobilsektor könnte
dabei ein hohes Kostensenkungs- und damit Anwendungspotential entstehen.
Für den Einsatz im Industriekundenbereich mit hohen Stromkennzahlen und einem Leistungsbereich von
100 kW bis zu einigen MW bieten sich druckaufgeladene Hochtemperaturbrennstoffzellen mit einer nachgeschalteten Gasturbine sowie einer Abwärmenutzung (ggf. Dampfturbine) an. Hierbei wäre langfristig auch
der Einsatz von Kohlegas möglich, auch wenn die Markteinführung dieser Brennstoffzellentypen vorrangig
über Erdgas erfolgen wird.
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Wesentlicher Entwicklungsbedarf besteht zu Fragen der Korrosion und Degradation der Materialien sowie
zur Verbesserung und Automatisierung der Fertigungstechniken aufgrund hoher geforderter Qualitätsstandards.
Erste drucklos betriebene Demonstrationsanlagen auf Erdgasbasis sowohl der MCFC- als auch der SOFCTechnik haben bereits heute die technische Realisierbarkeit gezeigt. Als Beispiel wird in Bild 14 eine Anlage
in Dorsten gezeigt.
Eine Bewertung, ob sich bei den Hochtemperaturbrennstoffzellen die MCFC oder die SOFC durchsetzen wird,
kann heute noch nicht erfolgen. Das größte Wirkungsgradpotential weist die druckaufgeladene SOFC auf
(> 60 % auf Basis Erdgas). Demgegenüber besitzt die MCFC wegen der niedrigeren Betriebstemperatur aus
heutiger Sicht ein höheres Kostensenkungspotential bei der Herstellung (keine Hochtemperaturwerkstoffe).
Entscheidend für die weitere Entwicklung von Brennstoffzellen wird jedoch sein, daß in weiteren Demonstrations- und Prototyp-Anlagen deren technisches und wirtschaftliches Potential nachgewiesen wird.
Bild 14: Brennstoffzellenprüfstand MCFC-Hot-Module.
30
5. Verbesserungskonzepte und Forschungsbedarf für
Verfahren, Anlagenkomponenten und Werkstoffe
Im Wettbewerb miteinander werden verschiedene Kraftwerkskonzepte weiterentwickelt. Ausschlaggebend
für den wirtschaftlichen Erfolg wird das Ergebnis des Zusammenwirkens von ausgewählten Verfahren, konstruktiven Lösungen (Anlagenkomponenten) und Betriebsweise sein.
Forschung und Entwicklung sind notwendig, um die Produktkosten im Sinne des Verbrauchers zu minimieren,
den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses zu erhöhen und die Auswirkungen auf unsere Umwelt so gering wie
möglich zu halten. Im Einzelnen muß erreicht werden:
l eine höher belastbare konstruktive Auslegung,
l eine bessere Anlagenausnutzung durch genauere Betriebsüberwachung,
l eine kostengünstigere Emissionsminderung und Rückstandsverwertung.
Die wesentlichen Verfahren betreffen das thermodynamische Konzept, die Brennstoffumwandlung, die
Wärmeübertragung und die Umweltschutztechniken.
Im nachfolgenden wird der jeweilige Forschungsbedarf näher erläutert.
Dampferzeuger
Weltweit übliche überkritische Dampfzustände mit 240 bar/540 °C konnten unter Nutzung neuer Werkstoffe
auf mehr als 260 bar/580 °C gesteigert werden. Damit können heute Wirkungsgrade bis 43 % bei braunkohlebefeuerten Anlagen und 45 % bei steinkohlebefeuerten Anlagen (ohne Seewasserkühlung) erreicht werden.
Die Realisierung höherer Dampfparameter erfordert in erster Linie Werkstoffe mit ausreichender Langzeitfestigkeit im Einsatzbereich. Darüber hinaus müssen sie entsprechende Verarbeitungseigenschaften sowie
ausreichende Korrosionseigenschaften aufweisen.
Korrosionen können sowohl auf der Dampfseite (innen) als auch auf der Rauchgasseite (außen) auftreten.
Besonders im beheizten Bereich spielt die dampfseitige Korrosion eine wichtige Rolle, da durch die isolierende Wirkung der Oxidschicht die Materialtemperaturen bei Beheizung merklich erhöht werden. Im
Zusammenhang mit der rauchgasseitigen Hochtemperaturkorrosion ist auch ein Einsatz von beschichteten
Rohren denkbar.
Geeignete Werkstoffentwicklungen sind von europäischen, aber auch von japanischen Herstellern bereits eingeleitet worden. Diese bedürfen allerdings einer längerfristigen begleitenden Erprobung, insbesondere um
ausreichende Festigkeiten und hohe Korrosionsbeständigkeit zu erreichen.
Der Übergang auf höhere Dampfzustände ist in der Regel mit einem Verlust an Betriebsflexibilität verbunden, was sich besonders beim An-/Abfahren und bei Laständerung auswirkt. Eine präzise Überwachung läßt
eine höhere Ausnutzung der Bauteile zu. Zur Verbesserung der Betriebssicherheit und des Betriebes bei optimalem Wirkungsgrad und geringstmöglichem Betriebsmittelverbrauch ist die Überwachung des Verschmutzungszustandes von großer Bedeutung.
Im kürzlich begonnenen BMWi-Verbundforschungsprogramm KOMET 650 werden jetzt derartige Betriebserprobungen vorgenommen. Die Ergebnisse sollen bereits bei den neuen Kraftwerken Hamm und Ensdorf
(vgl. Kap. 2/Tabelle 1) zur Wirkungsgrad- und Leistungserhöhung genutzt werden.
Dampfturbinen
Die Dampfturbine muß heute zwei Anforderungsprofilen gerecht werden: Während in Dampfkraftwerken
für eine bessere Effizienz überkritische Dampfzustände angestrebt werden, werden für Kombikraftwerke und
Industriekraftwerke kompakte, sehr flexible Dampfturbinen gefordert.
Die zur Realisierung der hohen Dampfzustände erforderlichen Werkstoffe erfordern neue Fertigungstechnologien und neue Konstruktionsprinzipien. Ebenso wie bei der Dampferzeugung muß aber die
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betriebliche Flexibilität gewahrt bleiben. Über eine genaue Überwachung kann die Ausnutzung der Bauteile
weiter verbessert werden.
Eine fluiddynamische Optimierung ermöglicht die weitere Erhöhung des turbineneigenen Wirkungsgrades.
Die bereits entwickelten 3D-Schaufeln erfordern eine genaue strömungstechnische Modellierung des
Expansionsteiles. Die so gerechneten Schaufelgeometrien müssen dann über neue Fertigungsverfahren realisiert und deren Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden.
Große Dampfvolumina sollen mit möglichst geringen Verlusten vom Niederdruckteil der Dampfturbine
abströmen. Um auch bei großen Leistungen einwellige Turbinenanlagen realisieren zu können, ergibt sich die
Forderung nach immer größer werdenden Abströmquerschnitten, was zu längeren Niederdruckschaufeln
führt. Hierzu sollen Materialien mit geringerer Dichte oder Bauweisen zur Verminderung der Fliehkräfte
sowie neue Konstruktions- und Fertigungstechnologien gefunden werden. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, soll die Abdampftemperatur soweit wie möglich abgesenkt werden, d.h. der Dampf entspannt in den
Bereich des Naßdampfes. Damit ergibt sich die Gefahr der Erosion durch Wassertropfen. In den Kondensatoren sind geringere Strömungsverluste auf der Dampfseite sowie ein verbesserter Wärmeübergang durch
geeignete Oberflächenstrukturen anzustreben, um eine Tropfenkondensation zu erreichen.
Durch geeignete Werkstoffe, konstruktive Maßnahmen und Diagnoseverfahren sollen sowohl der Wirkungsgrad als auch die Verfügbarkeit verbessert, die Wartungs- und Reparaturzeiten verkürzt werden.
Gasturbinen
Gasturbinen haben in den letzten Jahrzehnten einen großen Entwicklungsschub erfahren. Dazu hat wesentlich die Zusammenarbeit zwischen Herstellern und Forschungsinstituten sowie die staatliche Förderung des
Verbundvorhabens „Hochtemperatur-Gasturbine“ in Deutschland über mehr als 12 Jahre beigetragen.
Die Weiterentwicklung der Gasturbinen im Bereich der Strömungs- und Werkstofftechnik läßt eine
Steigerung des derzeit maximalen elektrischen Wirkungsgrads von rund 38 % auf etwa 45 % im offenen Prozeß erwarten. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD) können damit Gesamtwirkungsgrade
von ungefähr 65 % erreichen. Mit verbesserten Gas- und Dampfturbineneinheiten lassen sich in Kraft-WärmeKopplungsanlagen die Brennstoffausnutzungsgrade auf rd. 94 % steigern.
Zur Erhöhung des Komponentenwirkungsgrades ist die dreidimensionale Optimierung des Strömungskanals
und der Schaufelkonturierung notwendig.
Das optimale Druckverhältnis wächst mit steigender Turbineneintrittstemperatur. Es muß zwischen Kühllufteinsatz und zulässiger Turbineneintrittstemperatur optimiert werden. Um die Kühleffizienz zu steigern,
muß der Wärmeübergang an den Schaufelwänden sowie die Wärmeleitung in den Schaufeln in Wechselwirkung mit der Innen- und Außenströmung dreidimensional simuliert werden (Bild 15).
Bild 15: Entwicklungstrends für Gasturbinen
32
Der Einsatz optimierter Kühlverfahren muß durch die Entwicklung hochwarmfester Werkstoffe unterstützt
und ergänzt werden. Die Weiterentwicklung der Beschichtungstechnologie verbessert den Schutz gegen
Wärmebeanspruchung und Korrosion. Neue Anwendungsperspektiven eröffnen sich durch Gradientenwerkstoffe.
Der Einsatz neuer keramischer Werkstoffe ermöglicht eine deutlich höhere Belastung gegenüber den bisher
im Einsatz befindlichen Materialien. Damit könnte es möglich werden, bei Temperaturen von 1400 °C wieder
ohne Kühlung auszukommen.
Feuerungen und Brennstoffe
In der Feuerung eines Kohlekraftwerkes müssen Kohlen unterschiedlicher Reaktivität, mit stark variierenden
Ballastgehalten und unterschiedlichen Ascheeigenschaften verbrannt werden. Die Bandbreite der
Verfahrensschritte umfaßt
l die Aufbereitung und Trocknung der Brennstoffe,
l Kohlenstaub- oder Wirbelschichtfeuerung,
l (Druck-)Flugstrom- oder Wirbelschichtvergaser (unterstöchiometrische Verbrennung).
Steinkohlen weisen normalerweise Wassergehalte von weniger als 20 % auf, während Braunkohlen bis zu
60 % Wasser enthalten können.
Üblicherweise wird Rohbraunkohle durch 900 bis 1000 °C heiße Rauchgase vor der Verbrennung getrocknet.
Gelingt es, Rohbraunkohle mit Niedertemperaturwärme von 120 °C bis 150 °C zu trocknen und die Verdampfungsenthalpie des Kohlewassers zurückzugewinnen, so kann der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks
um etwa 4 bis 5 Prozentpunkte angehoben werden.
Die Vortrocknung führt zu höheren Verbrennungstemperaturen, die das Verbrennungs- und Verschlackungsverhalten sowie die Schadstoffbildung wesentlich beeinflussen. Damit muß aber auch das Feuerungs- und
Dampferzeugerkonzept geändert werden. Es ist vorgesehen, im Rahmen eines FuE-Programms der RWE
Energie (BoA-Plus-Konzept) neue technische Lösungen in einer Pilottrocknungsanlage für rd. 100 t/h Trockenbraunkohle großtechnisch zu erproben.
Grundsätzliche Anforderungen an eine Feuerung sind Zündstabilität, hoher Ausbrand und Verwertbarkeit
der Verbrennungsrückstände. Zur Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades wird die Minimierung des
Luftüberschusses angestrebt.
Die Reduzierung der Stickoxidbildung durch mehrfache Stufung des Verbrennungsvorgangs in unter- und
überstöchiometrische Zonen erlaubt bei Wirbelschichtfeuerungen und bei Braunkohlestaubfeuerungen den
Verzicht auf Sekundärmaßnahmen. Für Steinkohlestaubfeuerungen können die gesetzlichen Auflagen für
Stickoxide in Deutschland noch nicht allein durch Primärmaßnahmen erreicht werden.
Die Grundlage für die betriebliche Optimierung der komplexen und teilweise widersprüchlichen
Anforderungen ist eine kontinuierliche Überwachung des Brennstoff- und Feuerungszustandes. Hier liegt
auch ein wesentliches Untersuchungsziel des Verbundforschungsprogramms KOMET 650.
Die bei der Verbrennung und Vergasung ablaufenden Prozesse sind sehr komplex. Die Modellierung der vielfältigen Einflußparameter und Zusammenhänge führte bereits zu Fortschritten bei Planung und Betrieb von
Kraftwerken. Sie bildet eine Voraussetzung dafür, Fehlentwicklungen bei Großprojekten schon im Vorfeld zu
vermeiden und den Betrieb genauer zu steuern.
Die Eigenschaften fester Brennstoffe sind in einer Vielzahl von Parametern definiert und variieren nach
Herkunft beträchtlich, zumal der Anteil importierter Kohlen als Kraftwerksbrennstoff zunimmt. Zur gleichzeitigen Optimierung von Umwelterfordernissen, höchsten Wirkungsgraden und besserer Zuverlässigkeit
kann künftig nicht allein auf empirisch ermittelte Kennzahlen zurückgegriffen werden. Transportlogistik,
Brennstoffaufbereitung (Zerkleinerung, Homogenisierung, Konditionierung), Brennstoffumwandlung und
Entsorgung müssen durch intelligente Expertensysteme verknüpft werden.
Die Mitverbrennung von Abfällen und Biomassen als Zusatz zur Kohle nutzt die thermische Energie der
Abfälle. In vorhandenen Anlagen kann so Brennstoff eingespart werden. Die Emission von Schadgasen wird
aufgrund der vorhandenen effizienten Rauchgasreinigungsanlagen ohne weitere Zusatzmaßnahmen minimiert. Im Gegensatz zu anderen meist kleineren, vor allem Müllverbrennungsanlagen, werden eine Reihe von
Schadstoffen gar nicht erst gebildet.
33
Bei richtiger Optimierung von Kosten und Leistungen kann die Mitverbrennung sowohl für die Kommunen
als auch für die Energieversorger Vorteile erbringen.
In Deutschland fallen jährlich pro Kopf ca. 4 t Abfälle an; das sind insgesamt ca. 320 Mill. t/a, die entsorgt werden müssen. Neben ca. 41 Mill. t/a Hausmüll zählen dazu insbesondere 50 Mill. t/a Klärschlämme und
90 Mill. t/a Sonderabfälle sowie Biomassen und sonstige brennbare Stoffe. Ein wesentlicher Anteil dieser
Biomassen sind Rest- und Gebrauchthölzer mit geringer Belastung, wovon ca. 4,5 Mill. t/a (= 2,8 Mill. t SKE)
bereits einer thermischen Verwertung zugeführt werden. Das gesamte Potential des in Deutschland thermisch
verwertbaren Holzes liegt bei 6 bis 7 Mill. t SKE. Stroh und andere organische Rohstoffe könnten im Umfange
von ca. 4 Mill. t SKE genutzt werden.
Neue gesetzliche Regelungen erfordern eine differenziertere Behandlung der Optionen „Stoffliche
Wiederverwertung“, „Energetische Nutzung“ oder „Deponie“. Deponieraum wird knapp, andere Wege müssen geöffnet werden.
Wichtige Forschungsaufgaben bei der Mitverbrennung von Abfällen in Kohlekraftwerksfeuerungen sind das
Verhalten der nicht brennbaren Begleitstoffe bei der Energiewandlung, insbesondere der Grad der Einbindung in die Verbrennungsrückstände, sowie das Verdampfungs- und Kondensationsverhalten hinsichtlich
Heizflächenkorrosion und -verschmutzung sowie Abgasreinigung.
Verwertung und Entsorgung von Prozeßrückständen
Bei der Verbrennung und Vergasung von Brennstoffen fielen im Jahre 1997 in deutschen Kraftwerken 21,6
Mill. t Rückstände als Flugaschen, Granulat, Gips oder in anderen Formen an.
Forschungsbedarf besteht, besonders bei nicht großtechnisch erprobten Verfahren, in dreifacher Hinsicht:
l bei der Beeinflußbarkeit der anfallenden Rückstände durch die Brennstoffumwandlung,
l bei der marktkonformen Aufbereitung verwertbarer Rückstände,
l bei der vorschriftenkonformen Konditionierung deponierungsbedürftiger Rückstände.
Resultierende Anforderungen sind, ebenso wie bei anderen Umweltschutztechniken, auf die
Einsatzmaterialien (Brennstoffe, Sorbentien etc.) und die Brennstoffumwandlung (Verbrennung, Vergasung)
zu übertragen. So ergibt sich bei neuen Techniken die Notwendigkeit, schon im Vorfeld der Entwicklung
durch praxisgerechte Begleitforschung die Entsorgung vorzubereiten und umgekehrt die Anforderungen an
die Qualität bzw. die Unbedenklichkeit der Rückstände schon bei der Prozeßführung zu berücksichtigen.
Hierbei kann auf den langjährig im Schwerpunktforschungsprogramm ERKOM der VGB erarbeiteten
Erfahrungen für die derzeitige Kohlekraftwerkstechnik aufgebaut werden.
Heißgasreinigung
Die bei Kohleumwandlungsprozessen entstehenden Rauch- oder Brenngase müssen vor der Beaufschlagung
der Gasturbine einer Reinigung unterzogen werden. Erosionen, Korrosionen oder Anbackungen aufgrund zu
hoher Schadstoffgehalte führen zu Wirkungsgradeinbußen bis hin zum Versagen der Gasturbine.
Abhängig von der Prozeßthermodynamik muß die Gasreinigung bei Temperaturen zwischen 400 °C und
1500 °C in oxidierender Gasatmosphäre, d.h. Verbrennung, oder in reduzierender bei Vergasung konzipiert
werden.
Bei der Wirbelschichtverbrennung von Kohle unter Druck sind sichere Systeme zur Störfallerkennung und die
On-line-Erfassung von Staub und Alkalien notwendig, um Schädigungen in der Gasturbine zu vermeiden.
Weiterhin sind Probenahmesysteme in Rauchgasatmosphäre bei hohem Druck und hoher Temperatur zu entwickeln.
Die Möglichkeiten einer katalytischen und/oder einer nichtkatalytischen Schadgaseinbindung von NOx, N2O,
SO2, SOx, Alkalien u.a. im Heißgasfilter sollten systematisch untersucht werden.
Bei der auf dem höchsten Temperaturniveau von über 1500 °C betriebenen Druckkohlenstaubfeuerung muß
die Asche im flüssigen Zustand abgeschieden werden. Mit Fliehkraftabscheidern und Schüttschichtfiltern
allein konnte dies bisher nicht zufriedenstellend erreicht werden.
34
Die Alkalienkonzentrationen im Rauchgas liegen aufgrund der verfahrensgemäß hohen Temperaturen im
thermodynamischen Gleichgewicht deutlich über den für Gasturbinen zulässigen Grenzwerten. Im Verbrennungsprozeß spielen jedoch auch Nichtgleichgewichtsvorgänge, insbesondere für die Alkalienfreisetzung und Wiedereinbindung in die Asche, eine Rolle. Es ist zu untersuchen, ob über die Verbrennungsführung oder den Einsatz von Gettermaterialien eine deutliche Verminderung der Alkalienkonzentration im
Rauchgas erzielt werden kann.
Bei der Lösung der Probleme bezüglich der Abscheidung der Flüssigasche und Alkalien spielt die Keramikentwicklung eine herausragende Rolle.
Aufgrund des hohen Temperaturniveaus der Druckkohlenstaubfeuerung ist keine ausreichende Minderung
bzw. Primäreinbindung von Schwefeldioxid und Stickoxiden zu erwarten, so daß wie bisher eine
Niedertemperatur-Entschwefelungs- und Entstickungsstufe nötig ist.
Die Gasreinigung bei der Druckvergasung wird bisher durch Staubfilter und durch nachgeschaltete erprobte
Wasch-/Konversionstechniken bei ca. 50 °C beherrscht. Eine durchgehende Heißgasreinigung bei Temperaturen um 600 °C würde demgegenüber eine Steigerung des Gesamtanlagenwirkungsgrades um mehr als
2 Prozentpunkte ermöglichen.
Die Alkaliengehalte im Rohgas lassen sich nach Abkühlung im Rohgaskühler auf ca. 550 °C ausreichend
begrenzen.
Techniken der Prozeßführung und -überwachung
Die Anforderungen an niedrige Erzeugungskosten bei hoher Umweltverträglichkeit und große Anlagenlebensdauer erfordern eine genauere Prozeßführung und -überwachung im Kraftwerk. Dafür sind folgende
Maßnahmen erforderlich:
l Entwicklung von zuverlässigen und genauen On-line-Meßverfahren für Massenströme in großen
Querschnitten, ohne Drosselverluste zu verursachen (z.B. für Frischluft, Kohlenstaubbeladung, Rauchgas,
Frischdampf, Kühlwasser, Schadgaskonzentrationen),
l Analyse der Verbrennung über die Strahlung von Reaktionsprodukten, um den Feuerungsbetrieb optimieren zu können,
l bessere Ausnutzung der Grenzen der zulässigen Bauteilbeanspruchungen ohne Verlust an Sicherheit und
Verfügbarkeit,
l Minimierung der Reserven vor Abschaltgrenzen oder vor Überschreitung von Emissionsgrenzwerten durch
zuverlässige Meßtechnik und verbesserte Regelverfahren,
l Anwendung automatischer Zustandsüberwachungssysteme,
l Einbindung von schnellen, in Echtzeit rechnenden Prozeßsimulationsprogrammen zur Minimierung von
Anfahr- und Stoppverlusten sowie zur Vermeidung unnötiger Materialbeanspruchungen und Verlusten
durch übermäßige Vorhalte.
Die zur Führung komplexer Prozesse geeigneten rechnerbasierten Werkzeuge wie Prozeßdatenvalidierung,
Expertensysteme, neuronale Netze etc. sind für die Anwendung in der Kraftwerkstechnik neu zu entwickeln
oder anzupassen. Ein Teil dieser Aufgaben wird innerhalb des Forschungsprogramms KOMET 650 bearbeitet.
Werkstoffe
Die Schlüsselgröße zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Wärmekraftprozessen ist die obere
Prozeßtemperatur: Sowohl beim Gasturbinen- als auch beim Dampfturbinenprozeß wird sie wesentlich durch
die Warmfestigkeit der Werkstoffe bestimmt. Der Weiter- und Neuentwicklung von hochwarmfesten
Materialien kommt somit zentrale Bedeutung im Streben nach Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades zu.
Neben der Entwicklung neuer besserer Werkstoffe bedarf besonders die Erprobung des Langzeitverhaltens
unter möglichst betriebsnahen Bedingungen der erhöhten Aufmerksamkeit.
Materialentwicklungen für die Gasturbine sind im wesentlichen im nationalen Forschungsverbund MARCKO,
jene des Dampfturbinenkreislaufes im neuen europäischen Verbund COST 522 konzentriert. Sie werden durch
35
gezielte Arbeiten im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.
Im Rahmen der Werkstoffentwicklung für das Dampfkraftwerk werden für Bauteile aus den im europäischen
Programm COST 501 entwickelten ferritischen Stählen (Einsatz bis zu Frischdampftemperaturen von 600 °C)
Bauteilbeurteilungskonzepte erarbeitet. Dabei stehen Fragen der Schädigungsentwicklung unter den komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen von Bauteilen im Mittelpunkt.
Das europäische Werkstoffforschungsprogramm COST 522 zielt auf die Entwicklung geeigneter Werkstoffe
und Konstruktionskonzepte für Dampfkraftwerke, die mit Frischdampf- und Zwischenüberhitzungstemperaturen von 650 °C arbeiten. Im Zusammenhang damit wird im vom BMWi geförderten Forschungsprogramm KOMET 650 die Betriebseignung der Komponenten im Kraftwerk untersucht.
Durch den Einsatz martensitisch-ferritischer Werkstoffe anstatt hochwarmfester Austenite soll der entscheidende Vorteil höherer Wärmeleitfähigkeit und damit geringerer Wärmespannungen zur Kostensenkung
genutzt werden. Die neuen Werkstoffe müssen den flexiblen Anforderungen im Anlagenbetrieb durch den
Verbraucher auch in der Mittel- und Spitzenlast genügen.
Die Entwicklung adäquater Schweißzusatzwerkstoffe und -verfahren ist von gleicher Bedeutung wie die des
Grundwerkstoffes. Bei den angestrebten Temperaturen spielt die Zunderbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit eine ebenso wichtige Rolle. Flankierend werden Aufbringung und Prüfbarkeit von Wärmeschutzschichten untersucht.
Der nächste Schritt ist die Anhebung der Frischdampftemperatur auf Werte über 700 °C bei 350 bar, womit
Kraftwerkswirkungsgrade von mehr als 50 % erreichbar werden sollen. Dafür kommen Nichteisenlegierungen auf Nickelbasis in Frage.
An einem EU-THERMIE Projekt „700 °C Power Plant“ beteiligen sich auch deutsche Firmen, europaweit insgesamt 40 Unternehmen.
Die Entwicklung solcher Werkstoffe sowie ihre Qualifizierung für die Anwendung im Kraftwerksbau
(Verarbeitbarkeit, Schweißbarkeit, Zeitstandsfestigkeit über mindestens 30 000 h) erfordert viele Jahre, so
daß die Arbeiten hierzu bald aufgenommen werden müssen, wenn die technische und wirtschaftliche
Realisierung solcher Kraftwerke in etwa 10 Jahren möglich sein soll. Diese Entwicklungen sind mit hohen
Erfolgsrisiken verknüpft.
Wesentliche Verbesserungen des Wirkungsgrades von Gasturbinen und damit von kombinierten Gas-/
Dampfturbinenkraftwerken sind nur durch eine weitere deutliche Anhebung der Gasturbinen-Eintrittstemperatur zu erreichen.
Eine wichtige Aufgabe von MARCKO ist die Übertragung der werkstoffrelevanten Erfahrungen aus den
Technologien für Flugtriebwerke auf große stationäre Gasturbinen. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß
die Belastungen bei den Technologien sehr verschieden sind.
Das Programm umfaßt die folgenden fünf Schwerpunkte, die arbeitsteilig von führenden deutschen
Gasturbinen- und -schaufelherstellern sowie Forschungsinstituten bearbeitet werden:
l große Turbinenschaufeln (einkristallin und gerichtet erstarrt),
l Lebensdauermodelle für keramische Wärmedämmschichten,
l neue Laufschaufellegierungen für die gerichtete Erstarrung,
l Wärmedämmschichten für Oberflächentemperaturen über 1350 °C,
l Optimierung von Wellen für Hochleistungsgetriebe.
Es wird angenommen, daß der Einsatz verbesserter Superlegierungen der 3. Generation für große Einkristallschaufeln noch höhere Gaseingangstemperaturen ermöglicht. Mit der Entwicklung besserer Wärmeschutzschichten könnte der Temperaturgradient zwischen strömendem Gas und Metall mehr als 200 Grad betragen.
Die Eintrittstemperaturen an der Gasturbine (ISO) könnten von heute 1230 °C auf 1350 °C in nächster Zeit
steigen. Dabei muß es gelingen, die Langzeitstabilität dieser Schichten mindestens auf 25 000 Stunden zu
erhöhen.
Auf diesen Wegen erscheinen Steigerungen des Wirkungsgrades für gasgefeuerte Kombianlagen von gegenwärtig 58 % auf 65 % und für kohlegefeuerte Kombianlagen von 45 bis 48 % auf bis zu 55 % möglich.
36
6. Künftige Aufgaben und Prioritäten
Die Prioritäten für Forschung und Entwicklung zu den aufgezeigten Kraftwerkslinien, Verfahren,
Konstruktionen und Materialien werden durch industrielle Entwicklungsziele einerseits und durch staatliche
Förderprogramme andererseits bestimmt.
Eine wirkungsvolle Abstimmung erlaubt es, die knappen industriellen und öffentlichen Fördermittel effektiv
einzusetzen. Die Bereitschaft zur industrieseitigen Gemeinschaftsforschung und die Unterstützung der
öffentlichen Hand sind Garanten für einen technisch hochwertigen und damit international wettbewerbsfähigen Leistungsstand, der positive Auswirkungen auf Arbeitsplatzsicherheit, Exportfähigkeit, Innovation und
Umweltverträglichkeit besitzt. Nur mit der konsequenten Weiterentwicklung des wissenschaftlich-technischen Niveaus der Kraftwerke und ihrer Betriebsführung können auf Dauer trotz zunehmender internationaler Konkurrenz wissenschaftliche Kompetenz und Leistungsfähigkeit und damit auch Arbeitsplätze in
Deutschland gesichert werden.
Der Wettbewerb zwischen verschiedenen Entwicklungslinien der Kraftwerke ist notwendig. Derzeit kann
über das tragfähigste Konzept noch nicht entschieden werden, zumal sich auch Rahmenbedingungen ändern
werden.
Auf Grund der neuen Marktsituation werden die Unternehmen ihre Forschungsaufwendungen künftig weit
stärker als bisher dem unmittelbaren Geschäftszweck unterordnen. Mittelfristige, komplexere und risikoreichere Entwicklungen werden zurückgestellt. Industriell geförderte Forschungsprojekte werden vorrangig den
Gesichtspunkten „Produktkostenminimierung“ und „kurzfristige Erfolgschancen“ genügen müssen. Die Förderung durch die öffentliche Hand soll dagegen der Durchsetzung gesamtgesellschaftlicher Interessen dienen.
Die gemeinsame Förderung von Projekten aus Mitteln der öffentlichen Hand und der Industrie trägt dazu bei,
daß Risiken im Wettbewerb weniger zum Tragen kommen.
Die Entwicklungslinien der Kraftwerkstechnik (Optionen) werden in den drei zeitlich aufeinanderfolgenden
Phasen verfolgt:
1. die anwendungsorientierte Grundlagenforschung bis zum Nachweis der Machbarkeit,
2. die Entwicklungsarbeit für die Demonstration im Kraftwerksmaßstab,
3. die anwendungsnahe Begleitforschung.
Erst mit dem Bau und Betrieb von Demonstrationsanlagen können die Erfolgsaussichten neuer Optionen
genauer bestimmt werden. Nach der Kommerzialisierung bzw. der Definition als „Stand der Technik“ wird die
Weiterentwicklung des Unternehmens-Know-hows durch Auftragsforschung der Industrie vorangetrieben.
Im Rahmen der in der Arbeitsgruppe zu diesem Programm geführten Abstimmungen konnten folgende
Schwerpunkte definiert werden, die je nach heute erreichtem Entwicklungsstand und je nach Schwierigkeit
noch zu lösender Probleme langfristig zum Erfolg führen sollen:
1. Weiterführung der FuE-Arbeiten und Erprobung eines kohlebefeuerten wirtschaftlichen Dampfkraftwerks
mit superkritischen Parametern (Kraftwerk mit deutlich reduzierten Investitionskosten und höheren
Temperaturen und Drücken):
Insbesondere die Entwicklung und betriebsnahe Erprobung neuer leistungsfähigerer Werkstoffe, verbunden mit besseren Meßverfahren im Dampferzeuger, besitzt dabei eine Schlüsselfunktion.
2. Weiterführung der Entwicklungsarbeiten für kombinierte kohlegefeuerte Gas-/Dampfturbinenkraftwerke
(Kohle-Kombikraftwerke) mit integrierter Vergasung, mit zirkulierender Druckwirbelschichtfeuerung der
2. Generation oder mit der Druckkohlenstaubfeuerung:
In einem nächsten Schritt sind Wege für eine großtechnische Demonstration einer dieser Technologien in
Deutschland zu suchen. Diese Aufgabe ist gemeinsam von den Energieversorgungsunternehmen und der
Bundesregierung, u. U. mit Unterstützung durch die Europäische Union, zu lösen.
3. Förderung einer ausreichenden anwendungsorientierten Grundlagenforschung zu Anlagenkomponenten
und Kraftwerksteiltechnologien.
Tabelle 3 zeigt die Möglichkeiten der wiederkehrenden Nutzung dieser Teilkomponenten und -technologien im Rahmen neuer Kraftwerkskonzepte. Darüber hinaus beeinflussen diese Entwicklungen die Möglichkeiten der Erneuerung und Rekonstruktion bestehender Kraftwerke, um die Leistungsfähigkeit und
vor allem die Effizienz der Anlagen bei geringerer Umweltbelastung zu steigern.
37
Kraftwerkskonzept
IGCC
Kraftwerkskonzept
Gasturbine
IGCC
X
Gasturbine
Heißgas-/Heißdampfleitung
X
Heißgas-/Heißdampfleitung
Dampfturbine
Dampfturbine
Generator
X
XX
Generator
Leittechnik
Leittechnik
XX
X
Abhitze-Dampferzeuger
X
Abhitze-Dampferzeuger
X
X
X
E-Filter
E-Filter (Staub)
REA
REA
DENOX (im AHDE)
Flüssigascheabscheidung
Flüssigascheabscheidung
Topping-Combuster
Topping-Combuster
X
DKSF
DKSF
X
XX
X
XX
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
XX
XX
(X)
(X)
XX
Alkalien-/Halogenidabscheidung
Alkalien-/Halogenidabscheidung
Entschwefelung
(heiß)
Entschwefelung (heiß)
(X)
(X)
(X)
(X)
Spaltung
SpaltungStickstoffkomponenten
Stickstoffkomponenten
(X)
(X)
alternativ zur
kalten
Gasreinigung
alternativ zur
kalten
Gasreinigung
Entschwefelung (kalt)
Entschwefelung
(kalt)
Kerzenfilter(Staub)
(Staub)
Kerzenfilter
Konzepterläuterungen:
IGCC
XX
Kombikraftwerk mit integrierter Kohlevergasung
(Integrated Gasification
Combined Cycle)
700°C-DKW:
Dampfkraftwerk mit
Dampftemperaturen
>700 °C
DWSF :
Druckwirbelschichtfeuerung
2. Generation
(Verbrennung + Vergasung)
DKSF :
Druckkohlenstaubfeuerung
X
Kernkomponente am Markt verfügbar
X
Entwicklungsschwerpunkt bis zur
technischen Reife
X
Kernkomponente, deren technische
Machbarkeit ungeklärt ist
X
X
(X)
(X)
X
X
:
X
X
X
X
Kerzenfilter(Staub)
(Staub)
Kerzenfilter
Venturiwäscher/Rußabscheidung
Venturiwäscher/Rußabscheidung
X
(X)
X
DWSF
DWSF
X
X
X
X
DENOX (im AHDE)
í
X
X
Luftzerlegung
DENOX
DENOX
Heißgasreinigung
XX
X
X
Luftzerlegung
í
X
XX
XX
X
Kessel/DKSF/DWSF
Kessel/DKSF/DWSF
Vergaser
Vergaser
kalte
Gasreinigung
700°C-DKW
700°C-DKW
Für das Kraftwerkskonzept erforderliche Komponente bzw. Verfahrensschritt
Alternativlösung
Quelle: Siemens/KWU
Tabelle 3: Einschätzung der technischen Machbarkeit von Anlagenkomponenten und Teiltechnologien zu
neuen Kraftwerkskonzepten
In der Arbeitsgruppe gab es Übereinstimmung, daß folgende wissenschaftlich-technischen Aufgabenstellungen derzeit vom BMWi nicht gefördert zu werden brauchen:
– Die Vergasung von Kohle: Entwickelte Verfahren befinden sich bereits am Markt.
– Die Verflüssigung von Kohle: Die auf diesem Wege herstellbaren Treibstoffe oder Grundchemikalien können auch langfristig aus Erdöl, Erdgas o.ä. wesentlich preiswerter hergestellt werden.
– Kraftwerke mit atmosphärischer oder mit druckaufgeladener stationärer Wirbelschichtfeuerung: Entwikkelte Verfahren befinden sich bereits am Markt.
– Nutzung von Biomasse als Brennstoff: Eine Förderung erfolgt durch das Bundesministerium für Ernährung,
Landwirtschaft und Forsten – BML.
Für eine zügige Umsetzung der Ergebnisse dieses Berichtes und für die notwendige Anpassung an zukünftige politische und wirtschaftliche Entwicklungen ist eine intensive Zusammenarbeit zwischen den kraftwerksbetreibenden und -herstellenden Unternehmen in Deutschland, den Verbänden und der öffentlichen Hand
weiterhin notwendig.
38
Anhang:
Kraftwerkstechnologien (Überblick)
39
40
A 1: Kohledampfkraftwerk mit höchsten Dampfzuständen („700 °C-Kraftwerke“)
375 bar/700°C
bar/700 °C
375
ca.
ca. 130°C
130 °C
720
°C
720°C
G
> 300
300 °C
°C
0,04 bar
0,04
1) Technologiebeschreibung
Basis ist ein „konventionelles“ Dampfkraftwerk mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf für überkritische Dampfzustände, mit einer NOx-armen atmosphärischen Kohlenstaubfeuerung und konventioneller Rauchgasreinigung
2) Technologische Besonderheiten
Durch Anhebung der Dampfparameter können merkliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt werden. Für
überkritische Dampfzustände ist der Einsatz eines Zwangsdurchlauf-Dampferzeugers erforderlich. Mit gewissen Einschränkungen kann diese Technologie auch auf den Brennstoff Braunkohle angewendet werden.
3) Technische Eckdaten/Entwicklungspotential
Technik mit hohen Dampfzuständen (z. B. 375 bar/700 °C/720 °C) erscheint sinnvollerweise für Anlagen mit
Leistungen von 400 MW bis > 1.000 MW anwendbar. Wirkungsgrade von > 50 % sind damit nach dem Jahr
2010 erreichbar.
4) Kritische Komponenten bzw. Verfahrensschritte
Kritische Komponenten bei diesem Kraftwerkskonzept sind die Frischdampf- und ZÜ-Austrittssammler des
Dampferzeugers, der mit den hohen Temperaturen beaufschlagte Eintrittsbereich der Dampfturbine sowie
die verbindenden Heißdampfleitungen (inkl. Armaturen).
5) Technologische Herausforderungen
In erster Linie hängt dieses Kraftwerkskonzept davon ab, ob es gelingt, geeignete Werkstoffe zu entwickeln.
Diese müssen nicht nur den Festigkeitsanforderungen gerecht werden, sie müssen auch mit vertretbarem
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Aufwand verarbeitbar und korrosionsfest sein. Die Lebenszykluskosten müssen im wirtschaftlichen Bereich
liegen. Betriebliche Einschränkungen müssen ausgeschlossen werden.
6) Entwicklungsbedarf und -schwerpunkte
– Entwicklung und Langzeiterprobung von Werkstoffen für Dampftemperaturen > 700 °C
– Entwicklung und Erprobung neuer Werkstoffe (Ni-Basislegierungen) für die heißen Teile von
Dampferzeuger, Rohrleitungen und Dampfturbine
– Konstruktive Lösungen für Dampferzeuger, Heißdampfleitungen und Dampfturbine zur Beherrschung der
extremen Temperaturen
– Betriebsoptimierung von Feuerung, Dampferzeuger und Dampfturbine
– Erprobungen von Wärmeübergang, Verschmutzungsverhalten und NOx-Beeinflussung
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A 2: Kohlekombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung (DWSF) der 2. Generation
[Verbrennung und (Teil-)Vergasung]
Vergaser
Feinabscheider
Syngaskühler
PFBC
Grobabscheider
G
G
1) Technologiebeschreibung
Kombiprozeß mit Kohleverbrennung in der Druckwirbelschicht sowie unterstöchiometrischer Verbrennung
oder Teilvergasung zur Anhebung der Gasturbineneintrittstemperatur. Dampferzeugung durch Abkühlung
der zirkulierenden Asche und der Gasturbinenabgase. Heißgasreinigung für Brenngas und Rauchgas mittels
keramischer Filter. Entschwefelung durch Sorbenszugabe zur Kohle. Anhebung der Gasturbineneintrittstemperatur mittels Kohlegas in einer vorgeschalteten Brennkammer.
2) Technologische Besonderheiten
Teilvergasung der Kohle erfolgt mit Luft. Heißgasreinigung muß den Eintrag von Asche und Alkaliverbindungen in die GT weitgehend verhindern. Ein hochwertiger überkritischer Dampfprozeß kann zum
Einsatz gebracht werden. Verbrennung und Vergasung können so gesteuert werden, daß keine zusätzliche
REA und keine DeNOx-Anlage erforderlich werden.
3) Technische Eckdaten/Entwicklungspotential
Je nach Gasturbinentyp wurden Einheitenleistungen von etwa 150 bis 350 MW als Demonstrationsanlagen
verwirklicht. Das Leistungsverhältnis Gasturbine : Dampfturbine liegt bei 1 : 2,5 bis 1 : 4 und das Wirkungsgradpotential nach dem Jahr 2015 liegt in der Größenordnung bis 55 %.
4) Kritische Komponenten bzw. Verfahrensschritte
Die Teilvergasungsstufe inklusive Heißgasreinigung muß in der Lage sein, sowohl den Anforderungen der
Gasturbine als auch der Einhaltung der Emissionsgrenzen zum Schutz der Umwelt gerecht zu werden. Eine
unerprobte Technik ist auch der Topping-Combustor. Für den Anschluß von Rauchgas- und Brenngasleitungen
müssen geeignete konstruktive Lösungen entwickelt werden.
43
5) Technologische Herausforderungen
Bei diesem Anlagentyp müssen sowohl eine Druckwirbelschichtverbrennung als auch eine Vergasungseinheit
in eine Anlage integriert werden. Dabei müssen Wirtschaftlichkeit wie auch ein zuverlässiges und flexibles
Betriebsverhalten gewährleistet sein. Die Verwendung der anfallenden Nebenprodukte stellt eine weitere
Herausforderung an FuE dar.
Das verfahrenstechnisch einfachste Konzept der unterstöchiometrischen Verbrennung ist am wenigsten weit
entwickelt.
6) Entwicklungsbedarf und -schwerpunkte
– Entwicklung geeigneter Großgasturbinen
– Vorvergasungseinheit bzw. unterstöchiometrische Feuerung
– Heißgasreinigung
– „Topping-Combustor“
– leittechnisches Konzept
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A 3: Kohlekombikraftwerk mit integrierter Vergasung (IGCC)
Vergaser
Gasreinigung
elementarer
Schwefel
Staub
Sättigung
Schlacke
O2
LZA: Luftzerlegungsanlage
LZA
N2
G
G
1) Technologiebeschreibung
Bei diesem Kraftwerkstyp wird einem Gaskombikraftwerk eine druckbetriebene Vergasungsanlage für
Brennstoffe wie Kohle, Biomasse oder Raffinerierückstände vorgeschaltet, um so die Kombikraftwerkstechnologie auch festen Brennstoffen zugänglich zu machen. Für den Vergasungsprozeß in größeren Anlagen
wird Sauerstoff, sonst Luft eingesetzt. Die Kohlegasreinigung geschieht bei Temperaturen von deutlich unter
400 °C, meist mit Wäschern.
2) Technologische Besonderheiten
In Abhängigkeit vom Brennstoff kommen drei Vergasungsprinzipien in Frage: die Festbett-, die Wirbelschichtund die Flugstromvergasung. Durch die Brenngasreinigung kann die Emission von Schwefel und Staub bereits
vor der Verbrennung in der Gasturbine auf Werte reduziert werden, die deutlich unter den gesetzlichen
Vorschriften liegen. NOX wird durch verbrennungstechnische Maßnahmen niedrig gehalten.
Der Prozeß ermöglicht eine Koproduktion von Strom, Synthesegas und Prozeßdampf.
3) Technische Eckdaten/Entwicklungspotential
Anlagen mit Leistungen in der Größenordnung 300 MW sind als Demonstrationsanlagen in Betrieb.
Anlagengrößen von 500 MW, auf der Basis einer Gasturbine, sind absehbar. Mit der heutigen Gasturbinentechnologie sind Wirkungsgrade von bereits über 50 % erreichbar. Fortschritte in der Gasturbinen- und
Kombikraftwerks-Technologie können beim IGCC direkt genutzt werden; das Potential nach dem Jahr 2010
reicht bis ca. 55 %.
4) Kritische Komponenten bzw. Verfahrensschritte
Die optimale Integration des Vergasungsteils erfordert weitere Untersuchungen. Ein kritischer Verfahrensschritt ergibt sich, wenn als Option die Heißgasreinigung angegangen wird, die eine weitere Wirkungsgradverbesserung verspricht.
5) Technologische Herausforderungen
– Weiterentwicklung auf einen wirtschaftlichen und betrieblichen Standard, um mit dem konventionellen
Kohlekraftwerk konkurrieren zu können
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– Erzeugung von überkritischem Dampf im Rohgaskühler
– Heißgasreinigung bei Temperaturen von deutlich über 400 °C
6) Entwicklungsbedarf und -schwerpunkte
– Optimierung der Anlagenintegration
– Erhöhung Verfügbarkeit
– Heißgasreinigung
– Material- und Konstruktionsverbesserungen im Rohgaskühler
– Gasturbinenbrennkammern zur bivalenten, schwingungsfreien, NOx-armen Verbrennung von Erdgas und
Vergasungsgas
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A 4: Kohlekombikraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF)
BK
FAA
AA
REA
DENOX
G
G
BK : Brennkammer
FAA: Flüssigascheabscheider
AA: Alkalienabscheider
1) Technologiebeschreibung
Kombiprozeß mit Flugstromverbrennung von Kohlenstaub bei Überdruck. Das Rauchgas aus der Brennkammer (Druckschmelzkammer) wird im heißen Zustand von flüssiger Asche und gasförmigen Schadstoffen
gereinigt und direkt der Gasturbine aufgegeben. Zur Rauchgasreinigung hinter der Gasturbine im Abhitzedampferzeuger werden konventionelle DeNOx- und DeSOx-Techniken verwendet.
2) Technologische Besonderheiten
Bei diesem Prozeß wird Erdgas bzw. Öl in der Gasturbinenbrennkammer direkt durch Kohle ersetzt. Das heiße
Rauchgas, das vor allem mit flüssigen bzw. klebrigen Schlacketröpfchen und Alkaliverbindungen beladen ist,
muß bei hoher Temperatur soweit gereinigt werden, daß ein störungsfreier Betrieb der Gasturbine gesichert
ist.
3) Technische Eckdaten/Entwicklungspotential
In Abhängigkeit vom Gasturbinentyp sind Einheitenleistungen von etwa 100 bis 400 MW denkbar. Das
Wirkungsgradpotential nach dem Jahr 2015 liegt bei etwa 55 %, mit verbesserten Gasturbinen bis 2020 sogar
in der Größenordnung von 60 %.
4) Kritische Komponenten bzw. Verfahrensschritte
Die Entwicklung der Druckkohlenstaubfeuerung befindet sich noch im Grundlagenbereich. Eine ausreichende Lösung für die Problempunkte Flüssigascheabscheidung und Alkaliabscheidung ist noch nicht gelungen.
Die Weiterentwicklung der Brennertechnik kann hier zu unterstützenden Lösungen führen. Desweiteren ist
die NOx-Bildung deutlich zu reduzieren.
5) Technologische Herausforderungen
Das einfache technologische Konzept verspricht sehr hohe Wirkungsgrade für Kohlekraftwerke, hat aber den
größten Entwicklungszeitbedarf und das höchste Erfolgsrisiko.
6) Entwicklungsbedarf und -schwerpunkte
– Entwicklung geeigneter Großgasturbinen
– Flüssigascheabscheidung
– Alkaliabscheidung
– Druckbrennkammer (Schmelzkammer) und Brenner
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Anhang:
Liste der Beteiligten
Dr. D. Bäuerle
Dr. Horst Bechthold
Dipl.-Ing. Heinz Bergmann
Dipl.-Ing. Werner Emsperger
Dr. Jürgen Engelhard / Dipl.-Ing. Renzenbrink
Dipl.-Ing. Helmut Geipel
Dr. Detlef Gühmann
Dr. Ulrich Häuser
Dr. Klaus Hannes
Prof. Dr. Jörn Jacobs
Dr. Manfred Kehr / Dr. Herbert Schulze
Dr. Horst Markus
Dipl.-Ing. Marc Rumpel
Dr. Günter Scheffknecht
Dr. Bruno Schiebelsberger
Dr. Waldemar Schulz
Dr. Walter Thielen
Prof. Dr. Peter Zehner
Lentjes AG, Düsseldorf
FDBR Fachverband Dampfkessel-, Behälter- u.
Rohrleitungsbau e.V., Düsseldorf
RWE Energie AG, Essen
Siemens Energieerzeugung (KWU), Erlangen
Rheinbraun AG, Köln
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie,
Bonn
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie,
Bonn
ASEA Brown Boveri AG, Mannheim
STEAG AG, Essen
VGB Technische Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber e.V., Essen
VEAG Vereinigte Energiewerke AG, Berlin
Forschungszentrum Jülich, Projektträger BEO
VDEW Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke
e.V., Frankfurt/Main
ALSTOM; Energy Systems GmbH, Stuttgart
Bayernwerk AG, München
VEW Vereinigte Energiewerke Westfalen AG,
Dortmund
Steinmüller L&C GmbH, Gummersbach
PreussenElektra Engineering GmbH, Gelsenkirchen
Endredaktion:
Dipl.-Ing. H.Geipel
Dr. D. Gühmann
Prof.Dr. J.Jacobs
Dipl.-Ing. M. Rumpel
48
BMWi Bonn
BMWi Bonn
VGB Essen
VDEW Frankfurt/Main