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Was ist Power Generation?

Power Generation, ein englischssprachiges Synonym für die deutschen Begriffe Energiewandlung und Leistungsbereitstellung, umfasst alle Tätigkeiten und Technologien auf dem Feld der Energiewandlung und v.a. der Stromerzeugung. Zudem umfasst der Begriff auch den Stromtransport, Regelungsstrategien für Kraftwerksblöcke und -netze sowie großtechnische Speichertechnologien. Im Folgenden sollen die wichtigsten Bausteine näher erläutert werden. 

Energiewandlung

Energiewandlung bedeutet zunächst die Umwandlung einer Energieform in eine andere. Zu den wertvollsten Energieformen zählen mechanische und elektrische Energie, weswegen sich der Begriff "Power Generation" vor allem auf die möglichst effiziente Umwandlung von Energieträgern (z.B. Wind, Biomasse, Kohle) in mechanische und elektrische Energie bezieht.

Auch Wärme ist eine Energieform, die in unserer Gesellschaft benötigt wird. Wärme auf niedrigem Niveau ist aber im Gegensatz zu mechanischer und elektrischer Energie nur beschränkt wieder in andere Energieformen umwandelbar. Sie ist eine weniger hochwertige (da weniger flexibel einsetzbare) Energieform. Vielfach fällt Wärme als Abfallprodukt bei Produktion von mechanischer und elektrischer Energie an und kann zu Heizzwecken herangezogen werden.

Stromerzeugung

Strom ist durch seine unbeschränkte Umwandelbarkeit in jede andere Energie eine hoch flexible Energieform. Außerdem ist Strom verhältnismäßig einfach über große Strecken verlustarm vom Erzeuger zum Verbraucher transportierbar. In Deutschland werden 19 % der Endenergie als Strom verbraucht. Ziel des Centers for Power Generation ist es daher, Lösungen für eine hocheffiziente Stromerzeugung bereitzustellen.

Als Primärenergieträger für die Stromerzeugung kommen sowohl konventionelle (Kohle, Gas, Öl) als auch regenerative Energieträger (Biomasse, Wind, Sonne) in Betracht. Der Anteil der regenerativen Energieträger an der Stromerzeugung in Deutschland beträgt derzeit etwa 17 % (Ende 2010) und lässt sich nur langsam und verbunden mit hohen Investitionskosten steigern. Um trotzdem möglichst schnell in Richtung der vereinbarten Klimaschutzziele voranzukommen, steht vor allem auch die Effizienzsteigerung der konventionellen Kraftwerkstechnologien zur Stromerzeugung im Fokus der Forschungsaktivitäten des CPG.

Konventionelle Kraftwerkstechnologien

Zu den konventionellen Kraftwerkstechnologien zählen alle die Techniken, die Strom aus überwiegend fossilen Energieträgern erzeugen. Darunter fallen große Kohlekraftwerke mit Wasser-/Dampf-Kreislauf, Gas- und Dampfturbinenkraftwerke und auch Atomkraftwerke. Dazu gehören aber auch Müllverbrennunganlagen und Biomassekraftwerke, welche Dampf durch die Verbrennung von Müll bzw. Biomasse erzeugen. Ebenfalls zählen Kraftwerke mit Stationärmotoren, in denen Diesel, Öl, Erdgas oder Biogas verbrannt wird, zu den konventionellen Kraftwerkstechnologien.

Den meisten Technologien ist gemein, dass über die Verbrennung des Energieträgers Wasserdampf mit hohen Temperaturen und unter hohem Druck erzeugt wird, der in einer Dampfturbine entspannt wird. Über die Umwandlung der mechanischen Energie in einem Generator wird schließlich elektrischer Strom erzeugt. Die Forschung in diesem Bereich befasst sich also vor allem mit effizienten Verbrennungstechnologien, der Dampferzeugung mit möglichst hohen Drücken und Temperaturen, der Dynamik und Regelung von Kraftwerksblöcken, der effizienten Gestalung von Wasser-/ Dampfkreisläufen sowie wirkungsgradoptimierten Dampfturbinentechnologien.

Neuere Forschungsansätze im Bereich der konventionellen Kraftwerke beschäftigen sich außerdem mit der Verbrennung unter Sauerstoffatmosphäre oder der Vergasung von Kohle und der anschließenden Verbrennung des Produktgases. Beides zielt darauf ab, CO2 möglichst einfach aus den entstehenden Rauchgasen abtrennen zu können.

 

Stromtransport

In den meisten Fällen sind Stromerzeuger und -verbraucher lokal voneinander getrennt. Vor allem von große konventionellen Kraftwerksblöcken, die hocheffizient Strom erzeugen können, muss der Strom über weite Strecken zu den Verbrauchern transportiert werden.

Die Netzgestaltung, der -ausbau und die -regelung wird vor allem mit zunehmenden Anteilen von dezentral eingespeistem Strom aus regenerativer Erzeugung immer größere Bedeutung erlangen, da die großtechnische Erzeugung nur in bestimmten Teilen Europas möglich ist (z.B. Windstrom von der Nordsee, Solarstrom aus dem Mittelmeerraum). Forschungsansätze müssen sich daher mit verlustarmen Möglichkeiten zum Stromtransport und vor allem der Netzregelung befassen.

Großtechnische Speichertechnologie

Neben Netzausbau und -regelung werden auch großtechnische Speichertechnologien in Zukunft immer wichtiger werden. Da die Stromerzeugung aus Wind und Sonne witterungsabhängig und daher nicht beeinflussbar ist und sich die Leistung konventioneller Kraftwerke nur in gewissen Grenzen schnell regeln lässt, müssen Speichertechnologien den Ausgleich der Lastschwankungen sichern.

Am häufigsten werden bisher Pumpspeicherkraftwerke zum Lastausgleich eingesetzt. Ihre Kapazität und ihr Ausbau ist - vor allem in Deutschland - begrenzt. Die Forschung sucht daher nach neuen Speichertechnologien, z.b. Salzspeicher für solare Wärme und Druckluftspeicher.

Im kleineren Kapazitätsbereich müssen effiziente Speichertechnologien aber auch für beispielsweise Elektrofahrzeuge entwickelt werden.

Kraftwerksflexibilisierung durch innovative Steuerungsmechanismen und eingehendes Materialverständnis

Bis heute ist die Ausrichtung auf Grundlastbetrieb eins der charakteristischten Merkmale von existierenden Dampfkraftwerken. Die Betriebsflexibiliät wurde aus Gründen der Materialermüdung in vielen Fällen auf etwa 200 Kaltstarts während des Kraftwerkslebens beschränkt. Bedingt durch einen zunehmenden Anteil von fluktuierender Einspeisung erneuerbarer Energien speziell im deutschen Netz benötigen diese Kraftwerke nun die Fähigkeit zu häufigen Lastwechseln sowie Kalt- und Warmstarts. Die eingesetzten Materialien wurden ursprünglich nicht für diesen Einsatz entwickelt. Speziell Thermospannungen werden hierbei zum Problem. Aus diesem Grund ist die exakte Kenntnis des Materialverhaltens und der Vorhersage von Ermüdungserscheinungen Voraussetzung für die Umstellung des Betriebs auf die neuen Anforderungen.