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Samstag, 16. Februar 2019

Kraftwerkstechnik

Retrofit: schnelle Ertüchtigung, geringes Investment

Von Wolfgang Heumer | 31. Mai 2013 | Ausgabe 22

Der politisch gewollte Vorrang für Sonne- und Windkraft stellt konventionelle Kraftwerke vor neue Herausforderungen. Sie sollen künftig immer dann einspringen, wenn Sonne und Wind nicht im ausreichenden Maß für eine sichere Stromversorgung zur Verfügung stehen. Die übrige Zeit jedoch arbeiten sie in Teillast oder stehen nahezu still, weil den "Erneuerbaren" per Gesetz Vorrang in der Stromversorgung gegeben wird. Kraftwerksbauer wie Alstom suchen daher nach optimierten Anlagenkonzepten.

"Der Einsatz konventioneller Kraftwerke ist dann nicht mehr last-, sondern wetterabhängig", sagt Andreas Reischke, Leiter des Bereichs "Project Engineering Retrofit" beim Kraftwerksbauer Alstom in Stuttgart.

Aufgrund der stark schwankenden Stromerzeugung regenerativer Energiequellen müssen konventionelle Kraftwerke neuen Anforderungen angepasst werden, die sich deutlich vom bisherigen Leistungsprofil unterscheiden.

"Sie müssen für eine geringere Mindestlast ausgelegt werden, schneller angefahren werden können und für schnelle Laständerungen ertüchtigt werden", beschreibt Reischke die wichtigsten Kriterien für zukunftsfähige Kraftwerke .

Weil zurzeit kaum jemand in Deutschland in neue Kraftwerke investiert, setzt Alstom auf die Ertüchtigung von Altanlagen: "Im Prinzip geht es dabei um die Optimierung der vorhandenen Technologien und Abläufe", so Reischke.

Die Optimierung der konventionellen Feuerung zählt für Alstom zu den wichtigsten Stellschrauben, um die Mindestlast bestehender Kohlekraftwerke von derzeit 40 % bis 50 % der Nennleistung auf 35 % (Braunkohle) oder sogar 15 % bis 20 % (Steinkohle) zu reduzieren.

Im Volllastbetrieb werden Braunkohlenkraftwerke aus sechs bis sieben Kohlemühlen mit Brennstoff versorgt für den Mindestlastbetrieb waren bislang noch vier Mühlen erforderlich.

Durch eine gezielte leittechnische Optimierung der Brennersteuerung und unter Umständen auch eine Anpassung der Brenner sollen es künftig nur noch drei Mühlen sein. Bei der Steinkohlefeuerung ließe sich der Mindestlastbetrieb sogar auf den Einsatz einer Mühle reduzieren.

Um die Mindestlast eines Kohlekraftwerks noch weiter absenken zu können, empfiehlt Alstom die Umstellung von der direkten auf eine indirekte Befeuerung. Dabei wird der Kohlenstaub nicht mehr direkt aus der Mühle in den Brenner befördert, sondern gewissermaßen auf Vorrat produziert und bei Bedarf aus großen Silos abgesaugt.

"Die Trennung von Ausmahlung und Verbrennung ermöglicht zudem schnellere Lastwechsel als bisher", erläutert Reischke. Im gesamten Kraftwerkssystem ist der Mahlprozess jene Komponente, die mit dem größten Verzug auf geänderte Anforderungen reagiert im Vergleich zur konventionellen Feuerung ließe sich die Laständerungsgeschwindigkeit um den Faktor zwei bis fünf erhöhen.

Ein wesentliches Optimierungspotenzial sieht Reischke zudem im Bereich des Wasser-Dampf-Systems. Um die erforderliche Kühlung des Verdampfers zu sichern, wurde eine optimierte Berohrung entwickelt, deren Anordnung sich Alstom patentieren ließ.

Um die Kesseldynamik zu verbessern, geht Alstom zudem zunehmend an die Grenzen: dünnwandigere Bauteile, die mithilfe höherwertiger Materialien hergestellt werden, können aufgrund verringerter thermischer Spannungen zu einer Verkürzung der Anfahrtzeiten und zu höheren Laständerungsgeschwindigkeiten führen.

Derart optimierte Bauteile erreicht Alstom nicht nur durch neue Berechnungsweisen nach der Finite-Elemente-Methode, sondern auch durch eine grundsätzlich andere Philosophie. Bisher sind die Bauteile im Druckbereich eines Kraftwerks auf eine Lebensdauer von 200 000 Volllast-Betriebsstunden ausgelegt. Dies ergibt sich durch eine hohe Dauerauslastung über die gesamte Lebenszeit eines Kraftwerks. Künftig werden die Kraftwerke im selben Zeitraum aber weit weniger Volllast-Betriebsstunden verbrauchen. Daher reicht es aus, die Bauteile auf nur noch 100 000 Stunden auszulegen und dünnwandiger zu bauen.

Neue technologische Entwicklungen machen mittlerweile auch Verbesserungen an bestehenden Turbinen möglich. "Neben Fortschritten in der Aerodynamik ist es insbesondere im Bereich der Niederdruckturbinen möglich, durch längere Endstufen Turbinen mit deutlich besserem Wirkungsgrad als noch vor 15 bis 20 Jahren zu bauen", sagt Rolf Hestermann, Vertriebsleiter Retrofit Dampfturbinen bei Alstom in Mannheim.

Die Anpassung bestehender Kraftwerke an die neuen Anforderungen bietet einige Vorteile gegenüber dem Neubau von Großanlagen zur Stromerzeugung. "Das Retrofit kann zumeist innerhalb der bestehenden Genehmigungen erfolgen, lässt sich nach einer relativ kurzen Planungs- und Vorlaufzeit meist innerhalb von 25 bis 55 Tagen realisieren und erfordert nur ein begrenztes Investment", erklärt Hestermann.

Zudem ließe sich die Restbetriebszeit vieler Kraftwerke optimaler ausnutzen. "Damit ist Retrofit eine gute Überbrückungslösung in Zeiten unklarer Rahmenbedingungen, wie wir sie aktuell haben", meint Hestermann. WOLFGANG HEUMER