Stahlforschung in der FVV / Sichere Turbinen für höchste Temperaturen

Frankfurt am Main, (PresseBox) - Die Wirtschaftlichkeit von Großkraftwerken steht und fällt mit der Betriebssicherheit. Deshalb nahm die deutsche Industrie vor 25 Jahren gemeinsame Forschungen auf, die das Verhalten von Rissen in Dampfturbinen bei höchsten Temperaturen berechenbar machten. Heute kommen die Ergebnisse letztlich dem Klimaschutz zugute.

Stahllegierungen mit einem zehnprozentigen Chrom-Anteil gelten als Hoffnungsträger der modernen Kraftwerkstechnik. Sie sollen den Bau von Turbinen ermöglichen, die bei Temperaturen von mehr als 600 Grad Celsius betrieben werden können. Der Wirkungsgrad von Dampfturbinen, die heute mit Eintrittstemperaturen von bis zu 570 Grad Celsius arbeiten, wird sich dadurch noch einmal deutlich erhöhen. Die Forschungsergebnisse der Arbeitsgruppe W14 „Hochtemperatur Rissverhalten“ der industriellen "Arbeitsgemeinschaft Warmfeste Stähle" spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Die Arbeitsgruppe wurde am 14. September 1982 unter dem Dach der Forschungsvereinigung für Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) und dem Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) gegründet. Sie sollte eine Frage beantworten, die die Hersteller von Hochtemperatur-Kraftwerken bis dato sehr viel Geld kostete. Wie verhalten sich Risse in Stahl bei hohen Temperaturen? Und wann führen sie zum Versagen eines Bauteiles?

Der Hintergrund: Bei Temperaturen von mehr als 400 Grad Celsius erschöpft sich die Festigkeit von Stahl auf lange Sicht. Anders als für Flugzeug- oder PKW-Konstrukteure ergibt sich für Kraftwerksbauer damit ein Langzeitproblem. Denn Komponenten wie Turbinen, Kessel und Rohre werden für Betriebsdauern von rund 25 Jahren ausgelegt. Weil die Ingenieure das Verhalten von Rissen bei hohen Temperaturen aber bis in die 1970er Jahre hinein nicht berechnen konnten, mussten sie sich auf ihre Erfahrung verlassen, vor allem aber mit höherem Materialverbrauch planen, um auf der „sicheren Seite“ zu sein.

Die Ergebnisse, die die Arbeitsgruppe W14 zu Tage förderte, änderten diese Situation grundlegend. So wurden bis heute elf Werkstoffe in langfristigen Testreihen von teilweise bis zu sechs Jahren auf ihr Rissverhalten bei hohen Temperaturen untersucht. Die Ergebnisse flossen kontinuierlich in deutsche und europäische Gremien ein und leisteten so einen entscheidenden Beitrag zur Standardisierung. Außerdem wurden die entwickelten Konzepte und gemessenen Daten in dem Computer-Programm "HT-RISS" zusammengefasst. „Damit hat sich die deutsche Kraftwerksindustrie eine fundierte Basis geschaffen“, blickt Dr. Jürgen Ewald, Mitbegründer und Obmann der Arbeitsgruppe W14, auf ein Viertel Jahrhundert erfolgreicher Industrieforschung zurück. „Die Materialien können heutzutage länger eingesetzt werden, da die Berechenbarkeit kritischer Punkte direkt in eine verbesserte Fehlerdiagnostik und eine optimale Auslegung der Werkstoffe einfließen. Das hat sicherere und langlebigere Maschinen zur Folge, die die Ressourcen schonen und den Werkstoffverbrauch senken.“

In Zukunft werden die Ergebnisse der Arbeitsgruppe W14 verstärkt dem Klimaschutz zugute kommen. Denn für weitere Effizienzsteigerungen, ohne die Innovationen wie das CO2-arme Kohlekraftwerk wirtschaftlich nicht darstellbar sind, forscht die Kraftwerksindustrie nach neuen Stahl-Legierungen und Nickel-Basis-Werkstoffen, die auch bei Temperaturen bis 700 Grad Celsius und mehr ein langfristig stabiles Verhalten zeigen. „Dafür brauchen wir völlig neue Konzepte“, erklärt Dr. Jürgen Ewald. „Unsere Forschungen sind daher wichtiger denn je.“

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e.V.

Die FVV wurde 1956 gegründet und hat sich zum weltweit einmaligen Netzwerk der Motoren- und Turbomaschinenforschung entwickelt. Sie treibt die gemeinsame, vorwettbewerbliche Forschung in der Branche voran und bringt Industrieexperten und Wissenschaftler an einen Tisch, um die Wirkungsgrade und Emissionswerte von Motoren und Turbinen kontinuierlich zu verbessern – zum Vorteil von Wirtschaft, Umwelt und Gesellschaft. Außerdem fördert sie den wissenschaftlichen Nachwuchs. Mitglieder sind kleine, mittlere und große Unternehmen der Branche: Automobilunternehmen, Motoren- und Turbinenhersteller sowie deren Zulieferer.

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