Vier Lehrstühle der Universität Erlangen-Nürnberg an Länderinitiative beteiligt
Kraftwerke des 21. Jahrhunderts

"Kraftwerke des 21. Jahrhunderts" ist eine gemeinsame Forschungsinitiative der Länder Bayern und Baden-Württemberg benannt, die im Juli 2004 begonnen hat. In insgesamt 42 Einzelprojekten werden neue Technologien und Verfahren entwickelt, die den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit von Kraftwerken steigern sollen. Vier Lehrstühle der Universität Erlangen-Nürnberg bringen mit insgesamt fünf Teilprojekten ihre Forschungskapazität in die Initiative ein.

Gasturbinen sind in den letzten Jahren mehr und mehr zum Rückgrat der elektrischen Energieerzeugung geworden. In sogenannten GuD-Prozessen (in denen Gas- und Dampfturbinen in Kombination arbeiten) werden sie zur Grundlastversorgung eingesetzt.

Gasturbine des Typs V94.2 von Siemens.
Foto: Siemens AG

GuD-Kraftwerke erreichen mit etwa 60 Prozent die höchsten elektrischen Wirkungsgrade aller thermischen Kraftwerke. Wegen ihrer Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit decken sie in vielen Ländern 80 Prozent der jährlich neu zugebauten Leistung. Auch im Zusammenhang mit neuen Kraftwerkstechniken auf Basis von Brennstoffzellen und Solarenergie spielen Gasturbinen eine entscheidende Rolle. Deswegen ist eine konsequente Weiterentwicklung der Gasturbinentechnologie für die Zukunft unserer Energieversorgung von entscheidender Bedeutung.

Ein Forschungsschwerpunkt ist hierbei die Reparatur von durch korrosiven Materialabtrag und Thermoermüdung geschädigten Turbinenschaufeln aus sogenannten Nickel-Basis-Superlegierungen. In einem Projekt, das die Lehrstühle Werkstoffkunde und Technologie der Metalle (Prof. Dr. Robert Singer) und Allgemeine Werkstoffeigenschaften (Prof. Dr. Matthias Göken) des Instituts für Werkstoffwissenschaften in Kooperation mit den Industriepartnern Siemens und MTU Aero-Engines durchführen, werden neue Lotlegierungen und Lötverfahren entwickelt, mit dem Risse sehr effizient geschlossen werden können. Das reparierte Bauteil kann anschließend wieder, ohne nennenswerte Einbußen an Festigkeit oder Temperaturbeständigkeit, in der Turbine eingesetzt werden. Dies senkt erheblich die Gesamtbetriebskosten und schont zusätzlich wertvolle Ressourcen. Außerdem können, gestützt auf die neue Technik, sogenannte „gebaute Schaufeln“ hergestellt werden. Sie werden aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt, was die Wirkungsgrade weiter zu steigern gestattet.Grundlage der Entwicklungsarbeiten sind Ideen in der Materialentwicklung und Verfahrenstechnik bei den beteiligten Lehrstühlen, die bereits zu Erfindungsanmeldungen geführt haben.

Am Lehrstuhl für Strömungsmechanik von Prof. Dr. Franz Durst sind zwei Projekte angesiedelt. Eines davon sieht vor, den Aufbau modularer Kraftwerke durch den Einsatz der Porenbrennertechnik zu ermöglichen. Dabei lassen sich die Vorteile der Porenbrennertechnik, nämlich hohe Leistungsdichte, hohe Leistungsmodulation und niedrige Emissionswerte, sehr gut nutzen, um Kraftwerke beliebiger Leistung zu erstellen. In enger Kooperation mit der Firma SGL Carbon für die Brennerherstellung soll das Augenmerk der Entwicklung in diesem Vorhaben auf Porenbrenner hoher Leistung gerichtet werden. Die Brenner sollen mit Hochleistungswärmetauschern gekoppelt und umfassend getestet werden, so dass eine gute Basis für eine Nutzung in Kraftwerken vorliegt. Ein spezieller Porenbrenner soll zudem, leistungsangepasst an eine Dampferzeugeranlage der TU München, erstellt und für diesen Einsatzzweck getestet werden.

Dem Einsatz der Porenbrennertechnik in Gasturbinen gilt das zweite Projekt. Untersuchungen werden sowohl unter atmosphärischem Druck als auch unter Hochdruckbedingungen, die dem Einsatz in Gasturbinen entsprechen, durchgeführt. In einer zweiten Phase soll die Brennkammer einer Kleingasturbine mit Porenbrennern ausgestattet werden, um zu demonstrieren, dass Gasturbinen mit Porenbrennern direkt betrieben werden können.

Am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik von Prof. Dr. Alfred Leipertz werden ebenfalls zwei Teilprojekte bearbeitet. Aufbau und Entwicklung eines laserbasierten On-line-Messsystems zur Überprüfung und Kontrolle der Erdgaszusammensetzung für den Kraftwerksbetrieb steht auf dem Forschungsprogramm des ersten Projekts. Das System, das die Konzentration des Brennstoffs vor der Verbrennung in der Dampf- bzw. Gasphase messen soll, wird so angelegt, dass es keine Laborumgebung benötigt. Es soll mobil und einfach zu bedienen sein, so dass es gut für den Einsatz in Kraftwerken geeignet ist.

In einem weiteren Projekt wird ein Verfahren zur elektrischen Flammensteuerung, das aus Laborexperimenten bereits bekannt ist, auf die Gasturbinenverbrennung in großtechnischen Anlagen umgestellt. Dazu müssen die Voraussetzungen erforscht werden, unter denen elektrische Felder Wirkungen in Flammen unter den Bedingungen entfalten, wie sie für Gasturbinen typisch sind: hoher Druck, hohe Strömungsgeschwindigkeit, hoher Turbulenzgrad und komplizierte Strömungsmuster.

Weitere Informationen

Dr. Andreas Volek
Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Tel.: 09131/85-27514
andreas.volek@ww.uni-erlangen.de

Dr. Florian Pyczak
Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften
Tel.: 09131/85-27473
florian.pyczak@ww.uni-erlangen.de

Dr. Dimos Trimis Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Tel.: 09131/85-29490
dimos.trimis@lstm.uni-erlangen.de

Prof. Dr. Alfred Leipertz
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
Tel.: 09131/85-29900
sek@ltt.uni-erlangen.de

Mediendienst Forschung-Aktuell Nr.706 vom 05.08.2004