Summe

Aus Forschung und Entwicklung müssen folglich rechtzeitig entsprechend neue Optionen angeboten werden. Seit 1989 werden an der Professur Kraftwerkstechnik im Institut für Energietechnik der TU Dresden - anknüpfend an die lange Tradition in der Lehre und Forschung zur Problematik der Verbrennung – realisiert: der Komplex der Verbrennung, Co- (Mit-) Verbrennung und Vergasung von festen Brennstoffen, Abfallstoffen und Biomassen in seiner Gesamtheit, angefangen von den Grundlagen der Brennstoffuntersuchung über das Experiment an Pilotanlagen und der komplexen mathematischen Modellierung bis hin zur Validierung am Original in zeitlich aufeinanderfolgenden Phasen als anwendungsorientierte Begleitforschung realisiert (Bild 3).


Bild 3: Phasen anwendungsorientierter Begleitforschung an der Professur für Kraftwerkstechnik der TU Dresden [3, 4]

Kohlekraftwerke (weltweit werden derzeit 38 % des Strombedarfs aus Kohle erzeugt) sind sowohl im Hinblick auf den Wirkungsgrad als auch im Senkungspotential der spezifischen Investitionskosten entwicklungsfähig. Gasturbinen- und GuD-Kraftwerke zeichnen sich bei der Verwendung von Erdgas und leichtem Heizöl durch hohe Effektivität bei geringen spezifischen Investitionskosten aus; der Einsatz von Kohle und Abfallstoffen führt zu Prozessen mit Druckwirbelschichtfeuerung und integrierter Vergasung (siehe Bild 4). Die Clean-Coal-Technologie kann ebenfalls Marktchancen eröffnen. Die thermische Nutzung von Biomasse, ein beachtliches Potential und im Vergleich zu anderen regenerativen Energien mit günstigerem Kostenniveau, ist hinsichtlich Forschung, Entwicklung und betrieblicher Praxis noch nicht abgeschlossen [4].


Bild 4: Kohlekombikraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF)

3.1 Effektivität und Wirkungsgrad

Mit dem griechischen Buchstaben η bezeichnen Techniker seit über 150 Jahren den Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Dieser wird durch den von Carnot (1796-1832) begrenzt. Er hängt vereinfacht vom Temperaturgefälle des Arbeitsmediums, das zwischen Ein- und Austritt der Anlage besteht, ab und gibt den Rahmen vor, in dem sich der Wirkungsgrad äußerstenfalls bewegen kann. Mögliche, bislang erreichte und künftig zu erwartende Wirkungsgrade in Abhängigkeit von der Leistung sind im Bild 5 [6, 7] dargestellt. Der beste Weg, eingesetzte Brennstoffe bei der Wärme- und Stromerzeugung effizienter zu nutzen und dadurch zugleich Ressourcen zu schonen, ist ein höherer Wirkungsgrad. In Deutschland in Betrieb befindliche Kraftwerke haben derzeit einen Wirkungsgrad von 33 bis 36 % (Neubau DKW > 40 %). Dagegen werden beim Neubau von beispielsweise erdgasgefeuerten kombinierten Gas- / Dampfkraftwerken (GuD-Kraftwerke) Nettowirkungsgrade von > 55 % erreicht. Für Gasturbinen stellt die Intercooling Steam-Injection Gasturbine (ISTING) eine technische Weiterentwicklung dar. Dabei werden sehr hohe Eintrittstemperaturen verwendet und es erfolgt eine Wärmerückgewinnung beim Verdichter. Weitere wesentliche Verbesserungen sind allerdings nur noch schwer zu erzielen (Entwicklung der Werkstoffe für 650 ^oC/700 ^oC und höher notwendig). Innovative Techniken eröffnen, zumindest mittelfristig, die Wirkungsgrade auf 50  ... 55 % zu erhöhen. Ein Beispiel sind Brennstoffzellenanlagen für die dezentrale Energieversorgung, die derzeit mit großem finanziellen Aufwand erprobt und weiterentwickelt werden. Die Stadtwerke Frankfurt am Main betreiben u. a. seit etwa zwei Jahren eine PAFC-Brennstoffzelle der Firma ONSI mit einer Leistung von ca. 200 kW_therm und 200 kW_el. Die spezifischen Investitionskosten belaufen sich auf ca. 3.500.- €/kW. Auch Biomassen und Abfallstoffe bieten sich zur Vergasung mit anschließender Nutzung des entstehenden Synthesegases im Kraftwerksprozess oder in einem Motor an. Untersuchungen dazu laufen derzeit an der Professur Kraftwerkstechnik der TU Dresden. Ziel ist die Entwicklung, Demonstration und Kommerzialisierung des Konzeptes für lokale, dezentrale Versorgungsaufgaben [8].

 Bild 5: Güte der Energieumwandlung - elektrische Wirkungsgrade in Abhängigkeit von der Anlagenleistung [6, 7]

Prozesswirkungsgradsteigernde Maßnahmen erfordern verbesserte hochtemperatur-beständige Werkstoffe für höchste Dampfzustände. Maximale Laständerungs-geschwindigkeiten haben eine hohe Materialbeanspruchung zur Folge. Eine geringe Bauteilbelastung bei großem und raschem Lastwechsel ist angezeigt. Die in [9, 10] vorgestellten Untersuchungen an Originalgasturbinen erlauben beispielsweise eine differenzierte Bewertung der Bauteillebensdauer im Hochtemperaturbereich (Bild 6).




Bild 6: Vorschlag einer Methodik zur Lebensdauervorhersage und –ermittlung für mehrachsig beanspruchte Bauteile unter hohen Temperaturen [9, 10]

3.2 Ökologie und Ressourcenschonung

Umweltqualität ist längst zu einem wichtigen Standortfaktor geworden. Immer bessere Techniken führen zu weniger Schadstoffen. Deutschland kann als Referenz für umweltfreundliche Kraftwerkstechniken gelten.

Umweltbelastungen, hervorgerufen durch Energieerzeugungsanlagen, werden in der Hauptsache durch die Freisetzung von technisch relevanten Schadstoffkomponenten, wie Staub, SO₂, NO_x, CO verursacht, lassen sich aber durch technische Maßnahmen reduzieren. Die Verbrennung fossiler Energieträger mit niedrigem Schadstoffausstoß prägt heute die Kraftwerkstechnik. Dabei ist es unerheblich, ob die Emissionen aus zentralen oder dezentralen Anlagen kommen.

Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Öl, Gas, Kohle) entsteht auch Kohlendioxid (CO₂), ein farbloses, unbrennbares, geschmack- und geruchsloses Gas, das unter Normalbedingungen bei -78°C fest wird, ohne vorher als Flüssigkeit aufzutreten. Mit einem Anteil von etwa 40 Prozent am anthropogenen Treibhauseffekt trägt es zur verstärkten Erwärmung unserer Erde bei. Die Kraftwerksbetreiber arbeiten an Konzepten, die CO₂–Emission weiter zu reduzieren, wenngleich sie nur einen kleinen Teil der globalen  CO₂–Emission direkt beeinflussen können. Neben der rationellen Nutzung der Energie, wie zum Beispiel durch Wirkungsgradsteigerungen und der Senkung der spezifischen Brennstoffmenge bei der Stromerzeugung sowie der Kraft-Wärme-Kopplung, kann auch der Emissionshandel unter genau definierten Bedingungen als flexibles Instrument zum Erreichen der Reduktionsziele beitragen.

Gemäß  emissionsrechtlicher  Genehmigung  der  zuständigen Behörden gelten in Abhängigkeit von der Feuerungswärmeleistung und der Brennstoffart die mit einer Dynamisierungsklausel modifizierten gesetzlichen Grenzwerte. Bei der Vergasung von Festbrennstoffen und Nutzung des entstehenden Syngases mittleren Heizwertes ist die Heißgasreinigung ein Hauptproblem.

Rauchgasreinigungsanlagen sind nicht nur im Bau recht kostspielig, auch ihr Betrieb ist teuer. Dennoch sind diese unverzichtbar. Umweltschutz gehört nun einmal zu einem positiven Standortfaktor. Die katalytische Abgasreinigung (u.a. SCR-Technik/ Selektive  Catalytic Reduction) hat, ausgehend von der NO_x - Minderung, nicht nur im Anwendungsbereich der TA Luft  (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz vom 27.02.1986. In: GMBl. S. 95 ber. 202) ein breites Anwendungsgebiet erfahren, sondern auch in dem Bereich der 17. BImSchV (17. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz vom 31.11.1990. In: BGBl. S. 2545) . Aber auch Primärmaßnahmen, wie die Senkung der Verbrennungstemperatur durch Rauchgasrezirkulation und die Entwicklung moderner Verbrennungstechnologien, führen zur Emissionssenkung. 

3.3 Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit 

Die derzeit eingesetzten Verfahren und Anlagentechniken zeichnen sich durch unterschiedliche thermodynamische Qualitäten, Vor- und Nachteile bei der Realisierung, beim Betrieb oder bei der Schadstoffrückhaltung aus. Gleichzeitig fehlen aber für Vergleiche und Bewertungen einheitliche Kriterien. Der Problemkreis der Verfügbarkeit schließt sowohl das Gebiet der Lebensdauer als auch der Zuverlässigkeit ein, so dass das Wissen aus verschiedenen Forschungsgebieten für die Optimierung dezentraler Energieanlagen genutzt werden kann.  Der Betreiber strebt eine hohe Verfügbarkeit seiner Anlagen an. Gleichzeitig sind die Lebensdauer und die Revisionszyklen zu optimieren.

In Anlehnung an eine Empfehlung des VGB - Arbeitskreises Verfügbarkeit wird die Zeitverfügbarkeit über die Kennziffer



ermittelt.

Im Industriekraftwerk Schwarza, wo die erste Gas- und Dampfturbinenanlage in den neuen Bundesländern realisiert wurde, beauftrage der Generalauftragnehmer die TU Dresden, Untersuchungen zum Langzeitverhalten der dort betriebenen kombinierten Anlage durchzuführen. Die thermodynamische Güte dieses Prozesses wird bestimmt durch die hohen Gasturbineneintrittstemperaturen und die Nutzung der Gasturbinenabwärme im Dampf-turbinenkraftwerk mit niedrigem Prozessaustrittstemperaturniveau. Die Auswertung zeigt, dass die erwartete Güte der elektrischen Energieumwandlung von über 40 % erreicht wurde, bei der Verfügbarkeit aber nicht nur die dominierende Gasturbine, sondern auch die Nebenanlagen, wie Abhitzekessel, MSR- und E-Technik die Gesamtverfügbarkeit des Systems bestimmen (siehe Bild 7). Auf dem Gebiet der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Anlagen gibt es folglich noch eine Reihe von Aufgaben zu lösen. 

 Bild 7: Zeitverfügbarkeit der GuD-Anlage (Block 7) im IKW Schwarza 1992 [11]

Die ökonomische Bewertung der Energieumwandlungsverfahren kann beispielsweise durch eine Kostenvergleichsrechnung erfolgen. Hier werden die spezifischen fixen und variablen Kosten auf der Grundlage der Investitionskosten, der jährlichen Volllastnutzungsstunden der Anlage, dem erreichbaren durchschnittlichen Wirkungsgrad der Umwandlungstechnik sowie den Brennstoffkosten berechnet. Das Bild 8 reflektiert die Ergebnisse für ausgewählte Umwandlungsverfahren und läßt eine vergleichende Bewertung zu [12]. Energie sollte möglichst effektiv erzeugt und kostengünstig an den Verbraucher weitergegeben werden. Der steigende Wettbewerbsdruck im Rahmen der Liberalisierung, flächendeckend und übergangslos,   hat  den  Markt  tiefgreifend  verändert. Kurze Lieferzeiten, eine möglichst rasche Verfügbarkeit und hohe Zuverlässigkeit verbunden mit einem optimalen Service, Steigerung des Wirkungsgrades und Erhöhung der Flexibilität werden zu den entscheidenden Kriterien. Um wettbewerbsfähig zu  bleiben  sind  unwirtschaftliche Energieerzeugungs-anlagen stillzulegen und Überkapazitäten zurückzufahren. Im Jahr 2000 legten die Stromversorger in Deutschland 11 Anlagen mit rund 1500 MW Kraftwerksleistung still. Bis 2005 sollen weitere Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 9400 MW außer Betrieb genommen werden. Beim Bau  neuer  Anlagen  ist  auf  kurze  Kapitalrücklaufzeiten, geringe spezifische Investitionskosten und flexible Anlageneinheiten zu achten. Chancen hat im Wettbewerb nur derjenige, der konkurrenzfähige Angebote macht. Überall begegnen sich dieselben global tätigen Anbieter. Noch bis Ende 2003 gilt beispielsweise die 1998 im Energiewirtschaftsgesetz verankerte Braunkohleschutzklausel für die Verstromung ostdeutscher Braunkohle, der zufolge mindestens 70 Prozent des Stromes in den neuen Ländern aus Braunkohle gewonnen werden müssen. Dennoch stehen die Karten für die Braunkohle nicht schlecht. Nach dem Einstieg aus dem Kernenergie-Ausstieg ist ihr Stellenwert im künftigen Energiemix gestiegen. Außerdem verringern Fusion und Kooperation die erforderlichen Reservekapazitäten.




Bild 8: „Ökonomischer“ Vergleich ausgewählter Energieumwandlungsverfahren: spezifische Investitionskosten (oben); jährliche Volllastbenutzungsstunden (Mitte); spezifische Stromgestehungskosten (unten) [12]
Legende: GTA: Gasturbinen-Anlage; GuD: Gas- und Dampfturbinen-Anlage; DKW: Dampfkraftwerk; Bio-HKW: Biomasse-Heizkraftwerk; BZ-SOFC: Oxidkeramische Brennstoffzelle; BZ-PAFC: Phosphorsäure-Brennstoffzelle; Wind-KW: Wind-Kraftwerk; Wasser-KW: Wasser-Kraftwerk; Kern-KW: Kernkraftwerk; Fotovoltaik: Fotovoltaik-Anlage

4 Rahmenbedingungen, Probleme und Grenzen

Auf den Energiemärkten herrschen neue Rahmenbedingungen, geprägt von fortschreitender Globalisierung, internationalen Verflechtungen der Volkswirtschaften, Klimaschutz auf internationaler Ebene und nachhaltiger Entwicklung. Weltpolitische Ereignisse und daraus resultierende Spekulationen, Energie-, Umwelt- und Steuerpolitik einzelner Länder, konjunkturabhängiger industrieller Verbrauch und vieles mehr beeinflussen einzeln und wechselseitig  die langfristigen Entwicklungskonzepte.

Alle Energieträger im so genannten „Energiemix“ sind vorurteilsfrei (neu) zu bewerten und einzuordnen und nicht durch staatliche Planung und Regulierung im nationalen Alleingang zu bewerten. Das ist auf Dauer nicht sinnvoll. Bislang wurde darüber kontrovers und vorurteilsbehaftet diskutiert, was nicht selten zu kontraproduktiven Wirkungen führte.

Ein marktwirtschaftlicher Ordnungsrahmen mit fairen Bedingungen (diskriminierungsfreier Zugang) für alle Wettbewerber muss bei einer Verringerung des Primärenergieverbrauchs zu einem moderaten Wirtschaftswachstum (Bruttoinland-produkt) führen.

Die europäische Kraftwerksindustrie hat sich eine gute Position, ein hohes Niveau, im globalen Markt erarbeitet; ein Bruch in der Entwicklung würde die Gefahr des Zurückfallens gegenüber internationalen Konkurrenten in sich bergen.

Neue, fortschrittliche Technologien müssen angesichts langer Vorlaufzeiten möglichst rasch entwickelt und erprobt werden. Die Kraftwerkstechnik verfügt hierbei über ein großes Entwicklungspotential. Eine der Situation angemessene Forschungsförderung ist angezeigt.

Erneuerbare Energien werden einen zunehmenden Beitrag leisten, sind aber in ihrem absoluten Versorgungsbeitrag auf absehbare Zeit begrenzt.

Mit dem Wegfall der gesetzlichen Energieversorgungspflicht ist die Energieversorgungs-sicherheit zum Primat geworden. 


5 Zusammenfassung

Mit der Liberalisierung des Strommarktes in Europa müssen Chancen und Risiken der zentralen wie dezentralen  Energieversorgung neu bewertet werden. Neben der Versorgungssicherheit, der Wirtschaftlichkeit und der regionalen Ausgewogenheit ist die umweltverträgliche Energieversorgung oberstes Leitziel. Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz im internationalen Kontext gehen bei der Energieerzeugung Hand in Hand. Zwischen den Zielen gibt es keinen Widerspruch. Anlagen und Prozessführung müssen optimiert und exakt aufeinander abgestimmt werden. Das bedeutet eine stete Herausforderung an Forschung und Technik (Bild 9). 


Bild 9: Schwerpunkte der Entwicklung moderner Kraftwerkstechnologien

Im Wechselspiel zwischen Wettbewerb, Zuverlässigkeit und Umwelt sind effizientere Energieumwandlungstechniken und Wirkungsgradverbesserungen von Energie-systemen an der Tagesordnung. Mehr Wettbewerb bedeutet aber auch ein höheres Risiko, dass einzelwirtschaftliche Entscheidungen am Markt nicht honoriert werden.

Die Kraftwerkstechnik ist in der Einheit (System) von

                   n Effektivität

                   n Ökologie

                   n Zuverlässigkeit und

                   n Ökonomie

zu bewerten (Bild 10). Das betrifft zentrale wie dezentrale Anlagen gleichermaßen. Der Wettbewerb hat sich aber - vor allem durch die ökonomischen Bedingungen des liberalisierten Strommarktes - so ausgewirkt, dass dezentrale Anlagen der reinen Stromerzeugung bei Elektroenergieerzeugungspreisen von > 0,025 €/kWh im Normalfall nicht konkurrenzfähig sind.  Sie müssen vielmehr spezifische Bedingungen des Marktes, wie Wärme- oder Kältebereitstellung, Nutzung von preisgünstigen regenerativen Energiequellen als Technologiebrücke ins nächste Jahrhundert, Abfallentsorgung u. a. in Nischen nutzen um damit gegenüber zentralen Anlagen günstiger eingesetzt werden zu können. Zur Entwicklung ist damit in vielen Fällen auch die staatliche Förderung unerlässlich. Die öffentliche Hand sollte wirksame Anreize zur Entwicklung und Umsetzung effizienterer Systeme schaffen. Staatliche Hilfen sind aber nur dann gerechtfertigt, wenn Aussicht auf Wettbewerbs-fähigkeit gegeben ist [8].


Bild 10: Kraftwerkstechnik im Spannungsfeld widerstrebender Forderungen


Literatur 

[1] Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft e.V. (Hrsg.): Vom Wirkungsgrad zur Energievernunft. (ohne Jahresangabe)

[2] Deutsches Nationales Komitee des Weltenergierates (Hrsg.): Energie für Deutschland. World Energy Council. Düsseldorf 1997

[3] Bernstein, W.; Koppe, K.: Bedeutung von dezentralen Energieanlagen im Hinblick auf Wettbewerb, Zuverlässigkeit und Umwelt. Vortrag Fachkongress und Ausstellung Energie und Umwelt. Freiberg 2000

[4] Bernstein, W.; Quang, N.T.; Koppe, K.; Klemm, M.: Energetische Aspekte bei der Verbrennung und Vergasung von Holz - Experiment und Modellierung -. Vortrag Paderborn 2000. In: Schulte, Böswald, Joosten (eds.): Forstwirtschaft nach Kyoto: Wald und Holz als Kohlenstoffspeicher und regenerativer Energieträger. Shaker Verlag Aachen 2001. S. 283-297

[5] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Hrsg.): Kohlekraftwerke der Zukunft: sauber und wirtschaftlich, 1999

[6] Bernstein, W.: Neuartige technische Konzepte für Energieanlagen. Vortrag 3. Internationales Instandhaltungssymposium. Zittau 1999

[7] Bernstein, W.; Matschke, J.: Bewertung dezentraler Energieanlagen im Hinblick auf Effizienz und Zuverlässigkeit. Vortrag Tagung Entwicklungslinien in der Energie- und Kraftwerkstechnik. Essen 1999

[8] Bernstein, W.: Die Kraftwerkstechnik im 21. Jahrhundert. Seminar Fakultät Maschinenwesen TU Dresden. 2001

[9] Bernstein, W.: Einfluss der Gastemperatur vor der Turbine auf die Lebensdauer und Schadstoffemission. In: VGB Kraftwerkstechnik 78 (1998) 10, S. 104-110

[10] Maile, K.; Schwarzkopf, C.; Seifert, W.; Bernstein, W.: Methoden zur Lebensdauervorhersage und –ermittlung für mehrachsig beanspruchte Bauteile unter hohen Temperaturen. In: Abschlußbericht zum Vorhaben AVIF-Nr. A 92/2 von 5/97 der Universität Stuttgart (MPA) und der TU Dresden

[11] Bernstein, W.; Haase, P.; Stenzel, W.; Tanner, N.: Betriebserfahrungen mit kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozessen. VDI – Tagung. Bochum1993

[12] Bernstein, W.: Energietechnik. In: Grundwissen des Ingenieurs. Carl Hauser Verlag Leipzig 2002 (in Vorbereitung)

Autoren:

Bernstein, Wolfgang (…)

Prof. Dr.-Ing. habil.

Studium Maschinenbau / Kraft- und Arbeitsmaschinen von 1956 bis 1962 an der TU Dresden; Abschluss: Dipl.-Ing. u 1962 bis 1969 Assistent und Doktorand am Institut für Thermodynamik (AG Dampf- und Gasturbinen) der TU Dresden u 1969 Promotion zum Dr.-Ing. u 1970 bis 1985 Gruppen- und Abteilungsleiter sowie Stellvertreter des Hauptkonstrukteurs bei Bergmann-Borsig Berlin u 1979 Habilitation zum Dr.-Ing. habil. u 1985 Berufung zum Dozenten für Kraftwerkstechnik an der TU Dresden u seit 1989 Professor für Kraftwerkstechnik am Institut für Energietechnik der TU Dresden

Koppe, Klaus

Dr.-Ing.

Studium Kraft- und Arbeitsmaschinenbau / Dampferzeuger von 1963 bis 1966 an der Ingenieurschule Meißen; Abschluss: Dipl.-Ing. (FH) u 1966 bis 1969 Versuchsingenieur am Institut für Wärmetechnik und Wärmewirtschaft der TU Dresden u 1969 bis 1974 Fernstudium an der TU Dresden; Fachrichtung Wärmetechnik; Abschluss: Dipl.-Ing. u 1969 bis 1990 Leiter Heizkraftwerk und stellv. Bereichsleiter Technik an der TU Dresden u 1985 Promotion zum Dr.-Ing. u seit 1990 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Kraftwerkstechnik am Institut für Energietechnik der TU Dresden u seit 1999 Gastdozent (katedra energetiky) an der VŠB Technická univerzita Ostrava (ČZ)

Quelle : Wissenschaftliche Zeitschrift der Technische Universität Dresden 50 (2001) 5/6, S. 104 – 110

Copyright © Koppe 2009