Forschungsinitiative Kraftwerke des 21. Jahrhunderts – KW21
In der ersten Phase von KW21 arbeiteten zwischen 2004 und 2008 insgesamt 20 Forschergruppen mit 9 Industriepartnern an 36 Projekten, die in fünf Arbeitsgruppen zusammengefasst waren:
- Energiewirtschaft
- Kraftwerkssysteme und Dampferzeuger
- Fluiddynamik in Dampfturbinen
- Hochtemperaturkomponenten in Turbomaschinen
- Brennkammern für Gasturbinen
Die Initiative KW 21 liefert einen wesentlichen Beitrag dafür, dass Kraftwerke künftig effizienter, kostengünstiger und umweltfreundlicher sind.
Das Gesamtprojekt KW21 basiert auf einer Public-Private-Partnership zwischen öffentlichen Fördermittelgebern der Länder Baden-Württemberg und Bayern und Industriepartnern.
Im Januar 2009 wurde nach einer positiven Bewertung des in der ersten Phase Geleisteten sowohl durch eine Gutachtergruppe aus der Wissenschaft als auch durch die beteiligten Partner aus der Wirtschaft die zweite Phase von KW21 gestartet.
Das Institiut für Thermische Strömungsmaschinen der Universität Stuttgart ist in den Arbeitskreisen DT und GT mit Projekten beteiligt.
Arbeitskreis DT: Fluiddynamik in Dampfturbinen
Phase I (2004 - 2008):
Phase II (2009-2012):
Die Energiewandlungsketten zur Bereitstellung des elektrischen Stroms werden noch sehr lange Zeit im wesentlichen ähnlich den heutigen sein, d.h. in thermischen Kraftwerken wird die Dampfturbine das wichtigste Arbeitspferd mit der aufgrund der insgesamt installierten Leistung größten Bedeutung sein. Maßgebend hierfür sind mehrere Gründe:
- Die Dampfturbine ist im Vergleich zur Gasturbine unabhängiger vom Brennstoff, da prinzipiell alle fossilen Primärenergieträger sowie Müll ohne aufwendige Vorbehandlung und sogar Kernenergie genutzt werden können.
- Aufgrund der installierten Leistung üben Verbesserungen der Energiewandlung in Dampfturbinen eine enorme Hebelwirkung auf die CO2-Emission und die Schonung von Primärenergieressourcen aus.
- Der laut derzeitigem Kenntnisstand weitaus am längsten verfügbare fossile Primärenergieträger Kohle wird großtechnisch in Kraftwerken verstromt, die entweder ausschließlich Dampfturbinen oder, als Kombi-Kraftwerke, Gas- und Dampfturbinen zur Energieumwandlung enthalten.
Die Forschung an Dampfturbinen konzentriert sich auf die Erhöhung der Ausfallsicherheit und damit der Zuverlässigkeit sowie auf Wirkungsgradverbesserung mit dem Ziel der Kostenreduzierung. Dies umfasst sowohl die Reduzierung der herstellerseitigen Erstellungskosten wie auch der betreiberseitigen Investitions- und Betriebskosten. Die Entwicklungsschritte an Dampfturbinen können prinzipiell in zwei Kategorien unterteilt werden. Diese umfassen,
- die singulären, voneinander unabhängigen, innovativen Detailverbesserungen an verschiedenen Stellen der Dampfturbine,
- die globalen, mehr sprunghaften Entwicklungsschritte der gesamten Dampfturbinentechnik.
Zur ersten Kategorie ist beispielsweise die Entwicklung neuer Schaufelprofile aufgrund verbesserter Auslegungsverfahren zu zählen, während etwa die Einsatzreife neuer Werkstoffe höhere Dampfparameter mit Konsequenzen für die Technik der gesamten Dampfturbine erlaubt. Entsprechend ist die Struktur dieses Arbeitskreises aufgebaut.
Arbeitskreis GT: Hochtemperaturkomponenten in Turbomaschinen
Phase II (2009-2012):
Gasturbinen spielen eine essentielle Rolle bei der Elektrizitätsversorgung, sowohl in mittelfristigen Szenarien, getrieben durch Politik und Energieerzeuger, als auch langfristig. In einem offenen Prozess können Gasturbinen äußerst schnell Energie zur Deckung von Leistungsspitzen an das Stromnetz abgeben.
In kombinierten GuD-Prozessen (Gas- und Dampfturbine) zur Grundlastversorgung werden Gasturbinen bis zu einer Leistungsklasse von 500 MW eingesetzt, um möglichst hohe thermische (Gesamt-) Wirkungsgrade zu erreichen. Die Steigerung des Wirkungsgrades um ein Prozent bei einer 500 MW-Anlage entspricht (bei Vollbetrieb in Grundlast) der Stromversorgung von ca. 10.000 Haushalten und einer gleichzeitigen Reduktion der Schadstoffemissionen.
Weiterhin ist, bei vertretbaren Kostenniveaus, ein zuverlässiger Betrieb und eine durchgängige Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Die Ausfälle in jüngster Zeit sowohl in USA/Kanada, als auch in Großbritannien und Südschweiz/Italien im Sommer 2003 haben diesen Aspekt wieder in den Blick der Öffentlichkeit gerückt und in der politischen Diskussion thematisiert.
Im Rahmen der Länderinitiative ,Kraftwerke des 21. Jahrhunderts' werden daher gezielt relevante Technologien zur Steigerung von Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad bei reduzierten Kostenniveaus über den Product-Life-Cycle (PLC) untersucht.
 Hauptseiten des Forschungsverbunds KW21
Hauptseiten des Forschungsverbunds KW21 II
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