Einsatz für Effizienz

Ein vorerst milder Winter, im Februar hat dann eine sibirische Kältewelle den Energieverbrauch der Haushalte wieder auf Vorjahresniveau hochgeschraubt – nicht immer verläuft die Entwicklung von Bedarf und Erzeugung am Energiesektor derart gleichmäßig. Fossile Brennstoffe bildeten auch in den vergangenen Monaten einen Schwerpunkt für die Versorgung mit Strom und Wärme in Österreich. Künftig werden erneuerbare Energieträger eine stärkere Rolle spielen. Österreich kann dazu bereits auf einen gesunden Mix an regenerativer Stromerzeugung vor allem aus Wasserkraft sowie Erdgas verweisen.

Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sind derzeit die Umwelt und Klima schonendsten konventionellen Kraftwerkstypen. Die besten GuD-Kraftwerke hatten vor rund 20 Jahren bereits einen Wirkungsgrad von 52 %, im Jahr 2002 erreichte eine GuD-Anlage im deutschen Kraftwerk Mainz-Wiesbaden einen Wirkungsgrad von über 58 %. Heute stellt die Gasturbine der H-Klasse von Siemens mit einem Wirkungsgrad von 60,75 % den Effizienzweltrekord im Gas- und Dampfturbinen-Geschäft auf. Siemens wurde dafür im Februar mit dem Innovationspreis der deutschen Wirtschaft geehrt.

In den neuen Anlagen steckt eine Menge Know-how. So dauerte die Entwicklung alleine der Gasturbine des Typs SGT5-8000H inklusive Testphase rund zehn Jahre. Siemens investierte in die Entwicklung und den Betrieb der Prototypanlage im bayerischen Irsching rund eine halbe Milliarde Euro. Eine einzige Turbine dieses Typs kann im GuD-Betrieb eine Großstadt wie Berlin umweltverträglich mit Strom versorgen. Siemens Österreich hat für das effizienteste Gasturbinenkraftwerk der Welt den Abhitzedampferzeuger geliefert. Und es sind bereits weitere Steigerungen in Aussicht: Um den Wirkungsgrad von gasbefeuerten GuD-Anlagen nochmals zu verbessern, können zum einen der Dampf-Wasser-Kreislauf optimiert, zum anderen die Gasverbrennungstemperatur weiter erhöht werden. Hierzu sind neue Werkstoffe mit neuen Kristallstrukturen notwendig. Zudem wird eine verbesserte Beschichtung die Materialien vor Korrosion und hohen Temperaturen schützen müssen. Mit diesen neuen Werkstoffen wäre bis zum Jahr 2020 ein Wirkungsgrad von mehr als 63 % für erdgasbefeuerte GuD-Kraftwerke erreichbar.

Schnelle Starts

Doch warum ertüchtigen und modernisieren Kraftwerksbetreiber Anlagen? Der klassische Ansatz bei der Modernisierung von Dampfkraftwerken dreht sich in erster Linie um die Verbesserung des Wirkungsgrades und um die Erhöhung der Restlebensdauer (»lifetime extension«). Von zunehmender Bedeutung sind auch die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Kosten im gesamten Lebenszyklus und umweltspezifische Auflagen. Vor allem aber hat der steigende Anteil von Energieerzeugern mit erneuerbarer  Energie Auswirkungen auf die Schnellstartfähigkeit und die flexible Lastregelung im Kraftwerkspark der Betreiber. Wenn Kraftwerke auf Netzschwankungen aufgrund von Windkraft- oder Solarenergiespitzen nicht flexibel reagieren können, kostet das die Betreiber Geld. Auf rasches Abstellen und Hochfahren sind die Anlagen nicht vorbereitet. Ein bis maximal fünf Starts pro Jahr waren bislang für ein Kraftwerk üblich. In der neuen Stromwelt ist das Zehnfache – fast wöchentliches Starten – die Norm. »Wir arbeiten an Antworten auf völlig neue technische Herausforderungen, etwa wie schnelle Starts und Stopps ohne Gefahr für die Anlagen möglich sind, oder wie wir sie für einen Teillastbetrieb fit machen können«, erklärt Thomas Briza, Leitung Siemens Energy Service. »Eine neue, von Siemens entwickelte Lösung, die häufige Starts erleichtert, ist das Heißhalten von Turbinen.« Dabei wird eine Turbine auch im Stillstand auf Temperatur gehalten, um schädigende Materialspannungen in den Turbinenkomponenten zu vermeiden. Elektrische Heizungen, Isolierungen und eine komplexe Steuerung sorgen dafür, dass bei minimalem Stromverbrauch die richtige Temperatur sichergestellt wird. Für eine Maschine, die etwa 40 MW liefert, werden so maximal 40 kW Strom benötigt. Selbst größere Maschinen können nach bis zu fünf Tagen Stillstand wieder heiß starten. Ältere Turbinen lassen sich mit der Heizung nachrüsten.

Arbeiten am Upgrade

Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer der Brennstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen: Mit Kraft-Wärme-Kopplung sind in GuD-Kraftwerken sogar Gesamtnutzungsgrade in der Größenordnung von über 90 % möglich. Durch maßgeschneiderte Modernisierungen können alte Anlagen auf den neusten Stand gebracht werden. Die Optimierung der Dampfturbine ist eine elegante Möglichkeit, den Wirkungsgrad eines Kraftwerks zu steigern. Meist wird die Beschaufelung getauscht. Dies gemeinsam mit Verbesserungen am inneren Gehäuse sowie dem Einsatz neuester Dichtungstechnologien ermöglicht eine Leistungssteigerung von typisch 5 bis 6 % sowie eine Reduktion des CO2-Ausstoßes. Bei einem 700-MW-Block bedeutet dies immerhin eine Einsparung bis zu 250.000 Tonnen CO2 pro Jahr. Diese Maßnahmen an den Dampfturbinen können im Rahmen einer regulären Großrevision umgesetzt werden. Weitere Effizienzsteigerungsmaßnahmen sind die Verringerung des Eigenbedarfs, also die Optimierung des Stromverbrauches der unterschiedlichen Antriebe und Nebenanlagen eines Kraftwerks. Eine einfache Möglichkeit besteht durch den Tausch alter Elektromotoren. Moderne Antriebe bieten einen deutlich höheren Wirkungsgrad. Weiters lässt sich durch die Anpassung der Regelkonzepte und durch das Nachrüsten mit Frequenzumformern der Eigenstromverbrauch verringern und es kann mehr Strom an das Netz abgegeben werden. Ersetzen einzelner Komponenten wie Pumpen oder etwa Lüfter durch Geräte auf dem Stand der Technik verringert ebenfalls den Eigenbedarf und erhöht auch die Zuverlässigkeit sowie die Restlebensdauer der Anlage.
Ein Sonderfall ist die Nachrüstung von Wärmeauskopplung für industrielle Prozesse oder Heizenergie aus einem bisher nur der Stromerzeugung dienenden Kraftwerk. Es kommt dabei zu einem geringen Verlust an elektrischer Energie, dafür kann eine große Menge Wärmeenergie genutzt werden. Insgesamt wird dadurch die Gesamteffizienz der Brennstoffausnutzung entscheidend verbessert (plus 15 bis 30 %).

Repowering in Wien

Ein Beispiel einer erfolgreichen Modernisierung durch Siemens ist das Kraftwerk Simmering in Wien. Die in den 70er-Jahren errichtete Anlage wurde von einem konventionellen Kraftwerk mit bereits 110.000 Betriebsstunden – rund die Hälfte seiner geplanten Lebensdauer – in ein GuD-Kraftwerk umgebaut. Dabei wurden die bestehende Dampfturbine ertüchtigt und zwei Gasturbinen mit je einem Abhitzekessel errichtet.

Im Sommerbetrieb wurde so der Wirkungsgrad  von 42 % auf 57 % gesteigert und im Winterbetrieb von 62 % auf über 80 % verbessert. Die auskoppelbare Fernwärmeleistung konnte von 280 MW auf bis zu über 450 MW thermisch massiv gesteigert werden (siehe unten).  Damit ist der wettbewerbsfähige Betrieb des Kraftwerks für weitere zwei bis drei Jahrzehnte gesichert.

>> Repowering Simmering:

- Erweiterung der Anlage durch zwei Gasturbinen der 280-MW-Klasse sowie Ersatz des bestehenden Dampferzeugers durch jeweils nachgeschaltete Abhitzekessel
- Weiterverwendung der bestehenden Dampfturbine samt Generator, Transformator und Kondensator
- Volle Nutzung des vorhandenen Fernwärmesystems mit entsprechender  Steigerung der Fernwärmeaufbringung unter anderem durch Einbau zusätzlicher Fernwärmetauscher in den Abhitzekesseln
- Verwendung der vorhandenen Standortinfrastruktur (380-kV-Stromableitung, Kühlwasser, Ammoniak, etc.)
- Fortgesetzte Nutzung der bestehenden 65-MW-Gasturbine GT2 zur Spitzenlastabdeckung von Strom und Fernwärme
- Anlagenertüchtigung rascher umsetzbar als Neubau
- Geringere Investitionskosten als kompletter Neubau
- Trotz absoluter Steigerungen spezifisch deutlich geringere CO2- und NOx-Emissionen (1,33 Millionen Tonnen CO2 und 1.850 Tonnen NOx pro Jahr)