Thermische Kraftwerke
Den Turbo einlegen mit sCO2-Turbinen

Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist als schädliches Treibhausgas bekannt. Superkritisches Kohlenstoffdioxid (sCO₂) hingegen kann der Umwelt sogar Gutes tun - indem es anstelle von Wasserdampf als Wärmeträgermedium in Kraftwerksprozessen eingesetzt wird. Dort könnte es in einem geschlossenen Kreislauf unter bestimmten Bedingungen mehr Strom in sehr viel kleineren Turbinen als bisher produzieren. Das spart Kosten und Platz, wie die Forscherinnen und Forscher im Carbosola-Vorhaben zeigen konnten. Konkret ließe sich die Technologie beispielsweise bei Industrieunternehmen wie Stahlwerken oder Glasgießereien vor Ort nutzen. Die Firmen könnten ihre Abwärme mit prozessbedingt hohen Temperaturen aus der Fertigung direkt auf ihrem Werksgelände in ein kleines Kraftwerk mit sCO₂-Turbinen leiten und dort Strom herstellen.

Mit sCO₂-Turbinen Strom um 25 Prozent günstiger als mit herkömmlichen Turbinen produzieren

Noch ist diese Technologie Zukunftsmusik. Das Carbosola-Forschungsprojekt und die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen jedoch in Deutschland den Einstieg in diese innovative Technologie ermöglichen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt das Vorhaben daher mit 2,2 Millionen Euro. Erste Ergebnisse aus dem Carbosola-Forschungsprojekt zeigen, welch´ großes finanzielles Einsparpotenzial vorhanden ist: „Unsere numerischen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Stromentstehungskosten mit superkritischem CO₂ im Vergleich zur Produktion aus einem wasserdampfbetriebenen Kraftwerksprozess um bis zu 25 Prozent günstiger sein können“, berichtet Carbosola-Projektleiter Dr. Stefan Glos von Siemens Energy Global. Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Helmholz-Zentrum Dresden Rossendorf arbeitet Siemens daran, die Turbinenbauteile und Betriebsabläufe derzeit in digitalen Modellen und Laborexperimenten weiter zu optimieren.

Superkritisches CO₂: nicht kritisch, sondern super

Was macht das superkritische CO₂ so attraktiv für einen Kraftwerksprozess? Das Kohlendioxid geht bei 31 Grad Celsius und 74 bar in einen Zustand über, in dem sein Gewicht dem einer Flüssigkeit entspricht, es jedoch so leicht wie ein Gas strömen kann. In diesem superkritisch genannten Zustand ist CO₂ äußerst leistungsfähig: Seine physikalische Dichte ist höher als Wasserdampf bei gleichzeitig guten Fließeigenschaften, ähnlich denen von Wasserdampf. Dadurch kann in bis zu fünf Mal kleineren Turbinen mehr Strom produziert werden. Da dieses Verfahren ein geschlossener Kreislaufprozess ist, gelangt kein Kohlendioxid in die Umwelt. Zudem wird die Abwärme aus Industrieprozessen sinnvoll genutzt.

Damit die aufgezeigten Vorteile auch in der Praxis realisiert werden können, muss weiter geforscht werden. So verhält sich beispielsweise das superkritische Kohlendioxid in der Turbine anders als Wasserdampf. Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften des Fluids werden die Turbinen teils stärker beansprucht als konventionelle, mit Wasserdampf betriebene Turbinen. Als Konsequenz müssen die Komponenten weiterentwickelt und deren Werkstoffe angepasst werden.

In einer europaweit einmaligen Testanlage wird die Technologie erprobt

Neben dem Design einer potenziellen Großanwendung wurden die Einzelkomponenten einer Testanlage in den vergangenen Monaten ausgelegt und ihr Zusammenspiel mittels Simulation optimiert. In den nächsten Wochen wird nun diese Testanlage auf dem Gelände des Helmholzzentrum Dresden-Rossendorf gebaut, in dem die Komponenten und Prozesse in größerem Maßstab auf ihre Praxistauglichkeit getestet werden. Damit wird eine Infrastruktur geschaffen, welche europaweit einmalige Prozessparameter erreicht und Untersuchungen, etwa zum Strömungsverhalten und der Wärmeübertragung, aber auch zu offenen Materialfragen und effektiven Betriebsstrategien, ermöglicht.