Thermische Kraftwerke
Intelligente Plasmaspritzanlage für hochwertige Dämmschichten in Turbinen
Regenerative Brennstoffe strapazieren Turbinen deutlich mehr als fossile. Daher müssen die Beschichtungen der Bauteile höheren Qualitätsanforderungen als bisher entsprechen. Im Forschungsprojekt EviProd entwickelt das Team eine intelligent gesteuerte Produktionsanlage, die diese Qualität gewährleisten soll.
Der Einsatz von Biogas, Wasserstoff oder synthetischen Flüssigbrennstoffen in Kraftwerken schont das Klima, aber nicht die Turbinenbauteile. Im Vergleich zu Erdgas oder Erdöl lagern sich im Kraftwerksbetrieb beispielsweise mehr Verbrennungsrückstände auf den Turbinenschaufeln ab. Zudem variiert die Brennraumtemperatur je nach verwendetem Brennstoff. Damit die Turbinen nicht nachhaltig geschädigt werden, müssen die Bauteil-Beschichtungen den höheren Anforderungen angepasst werden.
Gesucht werden neue Produktionsverfahren, die die erforderliche Qualität der keramischen Wärmedämmschichten gewährleisten. Denn konventionelle thermische Spritzanlagen, wie sie derzeit in der Industrie eingesetzt werden, produzieren aufgrund von Düsen- und Injektionsverschleiß nicht die gleichmäßige Schichtqualität, die für den Einsatz von alternativen Brennstoffen im Kraftwerksbetrieb benötigt wird.
Stabiler Beschichtungsprozess bei höherem Wirkungsgrad der Anlage
Hier setzt das Forschungsteam von Eviprod an. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Siemens entwickeln gemeinsam mit ihren drei Verbundpartnern ein spezielles Plasmaspritzverfahren weiter. Das sogenannte Multipaar-Elektroden-System, kurz MPE, hat den Vorteil, dass im Plasmagenerator nicht nur ein, sondern insgesamt drei Lichtbogen erzeugt werden. Lichtbogen ionisieren das durch den Plasmabrenner strömende Gas. Das Gas wird so zu Plasma. Dieses wiederum dient als rasantes Transportmittel für das durch eine Düse eingeleitete keramische Beschichtungspulver in Richtung Bauteil.
Drei Lichtbogen sorgen für mehr Stabilität des Spritzvorgangs als einer – und damit für eine hohe Schichtqualität. Warum? „Stromschwankungen sorgen bei nur einem erzeugten Lichtbogen im Plasmagenerator für einen deutlich höheren Verschleiß der Düsen, die das Beschichtungspulver in diesem Fall unpräziser auftragen“, erläutert Projektleiter Alessandro Casu. „Bei drei Lichtbogen läuft der Beschichtungsprozess stabiler ab. Außerdem erhöht sich der Wirkungsgrad der Anlage. Es wird weniger Keramikpulver für das gleiche Schichtergebnis benötigt.“
Datenbasiertes Machine-Learning schafft KI-gesteuerte Prozessanlage
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von EviProd denken weiter. Sie planen, in den Plasmagenerator Sensoren einzubauen, die kontinuierlich Informationen kommunizieren – etwa zum Verschleiß der Düsen oder dem Zustand des Brenners. Ein anspruchsvolles Vorhaben, da die Temperatur in dem Plasmagenerator mit knapp 5.000 Grad Celsius heißer als auf der Sonne ist und somit die Bauteile der Sensoren gleißenden Temperaturen ausgesetzt sind.
Die gewonnenen Daten sollen die Prozesssteuerung – automatisiert durch Machine Learning – permanent optimieren. Das zu entwickelnde daten- und KI-basierte Steuerungskonzept für MPE-Plasmageneratoren wird perspektivisch sowohl bestehenden als auch neuen Industrieanlagen signifikante Vorteile bringen, da ist sich Alessandro Casu sicher: „Das EviProdsystem wird bessere Beschichtungsergebnisse bei geringeren Verschleißerscheinungen im Plasmagenerator und weniger Betriebsstillständen der Anlage erzielen.“ (it)
