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Stahl Kraftwerksbauer nutzen Stahl-Innovationen

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. Gerd Trommer, freier Journalist / Karl-Ullrich Höltkemeier

Höhere Betriebstemperaturen in Kohlekraftwerken erfordern für die Kraftwerkskessel Stähle mit höherer Warmfestigkeit. Beim Entwickeln dieser Stähle spielen die Fachleute der Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF) eine aktive Rolle.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der Wirkungsgrad von neuen Wärmekraftwerken ist in den vergangenen 25 Jahren enorm gestiegen: bei Braunkohlekraftwerken um ein Drittel von 31 auf 43 %; bei Steinkohlekraftwerken um mehr als ein Viertel von 37 auf 47 %. Bei gleichem Energieeinsatz ergibt dies 39 bzw. 27 % mehr Strom. Charakteristisch sind die Steigerungen der Dampfparameter Temperatur und Druck in den Wärme erzeugenden Kesseln. In Steinkohlekraftwerke betragen die Werte heute 600°C bei 290 bar (1980: 535°C und 225 bar). Für Braunkohlekraftwerke liegen die entsprechenden Werte aktuell bei 580°C und 260 bar.

Die Vision, mit den Wirkungsgraden die 50 %-„Schallgrenze“ zu erreichen, rückt also immer näher. Dazu erwarten Experten weitere Steigerungen der Dampfparameter auf 700 bis 720°C bei 350 bar. Im Wesentlichen sind Stähle mit höherer Warmfestigkeit für diese Effizienzsteigerung verantwortlich. An der Entwicklung dieser Werkstoffe ist SZMF direkt beteiligt.

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Betriebstemperatur, Stahlqualität und Zeitstandfestigkeit

Die Stahlqualität in Kraftwerkskesseln wird nach der späteren Betriebstemperatur ausgewählt. Im unteren, weniger temperaturbelasteten Bereich erfüllen niedriglegierte ferritische Stähle ihre Aufgabe, während im oberen Bereich hochlegierte Stähle, beispielsweise austenitische mit 18% Chrom, den hohen Temperaturen widerstehen. Sie müssen über eine lange Betriebszeit hohe Drücke und Temperaturen aushalten. Bei Laufzeiten zwischen 25 und 40 Jahren ergeben sich mehrere hunderttausend Betriebsstunden.

Die Lebensdauer wird vor allem durch Korrosion und Erosion eingeschränkt. So verstärken sich bei Temperaturen über 600°C die chemischen Reaktionen mit dem Abgas und dem Dampf. Mit weiter steigenden Temperaturen entsteht an der Stahloberfläche Zunder. Er führt zur Abzehrung des Rohrmaterials und behindert den Wärmeübergang zwischen Rauchgas und Dampf. Diese Effekte werden in modernen Hochleistungskraftwerken immer bedeutender. Sie zu beherrschen, erfordert Versuche an den Werkstoffen über Zeiträume bis zu 10 Jahren.

Das primäre Entwicklungsziel für den Konstruktionswerkstoff Stahl lautet: Erhöhen der Zeitstandfestigkeit. Höhere Zeitstandfestigkeiten bilden die Basis für weitere Steigerungen der Dampfparameter. Ein Zusammenhang besteht auch zwischen den Werkstückabmessungen und der Zeitstandfestigkeit. Je höher bei gegebenen Dampfparametern die Zeitstandfestigkeit ist, desto geringer können die Wanddicken von Kraftwerkskomponenten sein. Für Frischdampfleitungen zwischen Kesselhaus und Turbinenstation betragen die Unterschiede der Rohrwanddicke zwischen den bisherigen und den neuesten Kraftwerksstählen das bis zu Dreifache. Dies eröffnet neue Perspektiven für Konstrukteure.

Neu entwickelte Stähle in der Praxis

Ein Beispiel für höher belastbare Stähle gibt das Braunkohlekraftwerk Niederaußem. Der jüngste Block „BoA 1“ (Braunkohlekraftwerk mit optimierter Anlagentechnik) lieferte seinen ersten Strom im Jahr 2003. Er gilt als der weltweit modernste Braunkohlekessel. Seine Leistung beträgt 1000 MW und der Wirkungsgrad 43 %. Im Vergleich zu den Blöcken A und B, die 1963 starteten, bedeutet dies 13 % weniger Kohlendioxid (CO2), oder, bezogen auf 1000 MW Leistung jährlich 2,9 Mio. Tonnen weniger CO2-Ausstoß. Auch die Staub-, Schwefeldioxid- und Stickstoffoxidemissionen verringern sich um den 13%-Anteil.

Die höchstbelasteten Dampfleitungsrohre des Blockes BoA 1 bestehen aus dem Stahl E911. Er wurde von Teilnehmern aus 13 europäischen Ländern im Rahmen des COST-Forschungsvorhabens entwickelt. An diesem Projekt war SZMF maßgeblich beteiligt. Hersteller ist Vallourec & Mannesmann Tubes (V&M). E911 mit der Werkstoffbezeichnung X11CrMoWVNb9-1-1 hat bei 610°C eine Zeitstandfestigkeit, die der des konventionellen Kraftwerkstahles 10CrMo9-10 bei 534°C entspricht. Der Temperaturunterschied von 76°C steigert den Wirkungsgrad um 4%-Punkte.

Neue Stahl-Bestmarken im Visier

Heute arbeitet SZMF bereits an der Qualifizierung des in Japan entwickelten Stahles P92 (X10CrWMoVNb9-2) für den europäischen Markt. Er ist Vorraussetzung für die neue Generation an ultrasuperkritischen Kraftwerksblöcken mit noch höheren Wirkungsgraden und findet seinen Einsatz in den BoA 2-Blöcken F und G des KW Neurath. Die ehrgeizigen Pläne des Betreibers sind Wirkungsgrade von 48 bis 50 %. Die Entwicklungskompetenz der Mitarbeiter von SZMF geht jedoch deutlich über den Stahlbereich hinaus. Für das Erreichen der 700°C-Marke experimentieren die Forscher in Duisburg mit Nickelbasis-Werkstoffen.

Salzgitter, Tel. +49(0)6258 932030

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