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Professor Karl Maile, stellvertretender Direktor und Leiter des Fachbereiches Baukonstruktionen an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, leitet die Forschung an den Hochtemperatur Werkstoff Teststrecken (HWT I und II) am Grosskraftwerk Mannheim.
© MPA Stuttgart
Interview mit Professor Karl Maile, MPA Stuttgart
20.11.2013

Dünnere Rohrwände machen Kraftwerke flexibler

Bestehende Kohlekraftwerke wurden für die Grundlastversorgung und einen relativ konstanten Betrieb ausgelegt. Durch die Energiewende wandeln sich die Anforderungen: Zum Ausgleich einer fluktuierenden Einspeisung aus erneuerbaren Energien ist ein flexibler Betrieb gefragt. Durch die Verwendung von hochwarmfesten Werkstoffen, statt bisher 9- bis 11-prozentiger Cr-Stähle, sollen die Kraftwerke flexibler werden. Am Grosskraftwerk Mannheim untersucht ein Konsortium aus Wissenschaft, Herstellern und Kraftwerksbetreibern die neuen Werkstoffe unter realen Bedingungen. Professor Karl Maile, stellvertretender Direktor der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, leitet die wissenschaftliche Begleitforschung an den Hochtemperatur Werkstoff Teststrecken (HWT I und II). Über die Bedeutung der laufenden Werkstoffentwicklung für die Flexibilität und die Effizienz von Kraftwerken sprach er im Interview.

BINE Informationsdienst: Professor Karl Maile, nach wie vielen Lastwechseln werden Rohre in bestehenden Kraftwerken ausgetauscht?

Maile: Bisher werden Rohre und Bauteile in Dampfkraftwerken weniger auf den Wechsellastbetrieb als auf eine stationäre Kriechbeanspruchung ausgelegt. Man geht davon aus, dass ein Kraftwerk kontinuierlich Strom produziert, also vorwiegend im Grundlastbereich betrieben wird. Dabei treten andere Schädigungsmechanismen auf: Risse bilden sich bisher vor allem an der Außenoberfläche der Bauteile. Diese können zum Beispiel mit Hilfe der Gefügeabdrucktechnik ermittelt beziehungsweise über Erschöpfungsrechnungen vorhergesagt werden. Auf dieser Grundlage werden die Leitungen in bestehenden Kraftwerken regelmäßig kontrolliert.
Durch häufige Lastwechsel ändert sich der Schädigungsmechanismus. Es entstehen an der inneren Oberfläche Anrisse, welche in einem relativ kurzen Zeitraum zum Versagen führen können. Die Entwicklung und Validierung der eben genannten Berechnungsverfahren dient dazu, um den Schädigungsablauf und die Lastwechsel bis zum Versagen zuverlässig vorherzusagen.

Sind Ihre numerischen Berechnungen zur Vorhersage durch die Tests schon ausreichend verifiziert?

Maile: Neben dem direkten Vergleich der berechneten Lastwechselzahl und der Anzahl der Lastwechsel, die tatsächlich zum Anriss im Bauteil geführt hat, gibt es weitere Möglichkeiten der Verifizierung. Wir messen die Verformungen an den Komponenten. Im Vergleich mit den Berechnungen gibt es eine relativ gute Übereinstimmung. Die Berechnungsverfahren, welche die MPA Stuttgart und das Fraunhofer IWM entwickelt haben, arbeiten mit einer großen Anzahl von Parametern.
Für die untersuchten Nickel-Basis-Legierungen, das heißt den Alloy 617, haben wir für den Einfluss von Druck und Temperatur ausreichend Ergebnisse vorliegen, die sich an Laborproben bestätigen lassen und eine Übereinstimmung in der Vorhersage der lokalen Verformungen an den Bauteilen aufweisen. Wobei wir noch nicht wissen, wie hoch der Sicherheitsabstand in der Vorhersage ist.

Welche Auswirkungen haben Ihre Ergebnisse der Werkstoffentwicklung für flexible Kraftwerke?

Maile: Die Werkstoffentwicklung ist zunächst von der Fahrweise unabhängig. Wir untersuchen Werkstoffe in der Teststrecke, die hohe Temperaturen und Drücke aushalten. Bisher ist das oberste Ziel eine gute Festigkeit bei hoher Temperatur.
Wenn zusätzlich eine flexible Fahrweise gefordert wird, bedeutet das, dass Anforderungen an Wechselfestigkeit gestellt werden. Über die Teststrecke untersuchen wir, wie sich die Werkstoffe bei dieser Ermüdungsbeanspruchung verhalten. Die Frage ist dabei, wie die kritischen Bauteile gestaltet und ausgelegt werden müssen, damit sie möglichst viele An- und Abfahrgänge des Kraftwerks aushalten.

Müssen Sicherheitsregularien für den Einsatz der Nickel-Basis-Legierungen in Kraftwerken angepasst werden?

Maile: Für die Rohrleitungen gilt, dass eine Konformität mit den Anforderungen, zum Beispiel der Druckgeräterichtlinie und dem Produktsicherheitsgesetz, vorliegt. Wir müssen Methoden anwenden, die sicherstellen, dass die dort gestellten Anforderungen an einen sicheren Betrieb erfüllt sind, beispielsweise über den Nachweis der Schweißbarkeit und den Einsatz von geeigneten Werkstoffen für die gesamte Lebensdauer. Konkrete Werte für die ausreichende Festigkeit et cetera sind normalerweise in harmonisierten EU-Normen definiert. Die neuen Werkstoffe sind noch nicht darin enthalten. Daher tragen wir über unsere Untersuchungen dazu bei, dass die Anforderungen erfüllt sind, sodass die Werkstoffe eingesetzt werden können. Dafür haben wir im Konsortium Kennwerte für die Zeitstandfestigkeit und das Ermüdungsverhalten der Rohrleitungen und deren Schweißverbindungen aus den Untersuchungen abgeleitet und den Schweißprozess als wichtigen Verarbeitungsschritt optimiert. Ferner sind die bereits genannten Berechnungsverfahren geeignet, die Basis für eine sichere Auslegung zu bilden.

Wie schätzen Sie die Perspektiven für den Bau von 700°C-Kraftwerken ein?

Maile: In Indien, Japan und den USA werden 700°C-Kraftwerke geplant, die aber nicht unbedingt als flexible Kraftwerke eingesetzt werden. In China, wo jährlich alleine 50 GW Kohlekraftleistung gebaut werden, wird der zusätzliche Ausstoß an Schadstoffen über die bessere 700°C-Technik begrenzt. Japan will sich unabhängig von Atomkraftwerken und teurem Öl machen und sieht als Alternative die billige Kohle. Sicherlich ist auch in Japan der Bau von 700°C-Kraftwerken sinnvoll, da sie einen deutlich besseren Wirkungsgrad und damit geringeren Kohlendioxid- und Schadstoff-Ausstoß haben.
In Europa und gerade in Deutschland hängt der Einsatz der 700°C-Kraftwerke von den Bedingungen für Residualkraftwerke ab. Es gibt aber noch weitere Möglichkeiten für die Technik: Mit den entwickelten Werkstoffen können wir Rohrleitungen dünner auslegen. Dadurch werden bestehende Kraftwerke besser für einen flexibleren Betrieb gerüstet. Bei neuen Kraftwerken ist zu überlegen, ob kleinere Kraftwerke, die billiger sind, besser geeignet sind. Mit einem anderen Design und dünneren Wänden können sie wesentlich flexibler werden.

Das komplette Interview kann unter KraftwerkForschung.info aufgerufen werden.

(cg)

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