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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Werkstoffe für Turbinen und CO2-freie Kraftwerke

Keramische Schutzschichten erhöhen die Effizienz und die Lebensdauer von Turbinen in fortschrittlichen Kraftwerken.

Gastrennmembranen besitzen ein hohes Potenzial zur effizienten CO2 Abtrennung.

Wärmedämmschichten

Wärmedämmschichtsysteme sind ein wesentlicher Bestandteil sowohl in Flug- als auch stationären Gasturbinen, da nur durch diese die für einen effizienten Betrieb notwendigen hohen Brenngastemperaturen verwirklicht werden können. Der weltweit als Standard etablierte Werkstoff für WDS-Anwendungen ist das mit 7-8 Gew.-% Y2O3 teilstabiliserte Zirkonoxid (YSZ).

Dieses Material verfügt für diese Anwendung über eine Reihe von herausragenden Eigenschaften wie niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohen Ausdehnungskoeffizienten zur Reduzierung der thermischen Spannungen im Verbund mit dem metallischen Substrat und gute Bruchzähigkeit.

Zur Zeit kommen zwei Herstellungsverfahren in der industriellen Serienproduktion von Wärmedämmschichten zum Einsatz, das Elektronenstrahlverdampfungsverfahren (Electron Beam - Physical Vapour Deposition, EB-PVD) und das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS).

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Gastrennmembranen

Keramische Membranen zur Abtrennung des Treibhausgases CO2 Messapparatur zur Bestimmung der Sauerstoffpermeation

Das Institut IEK-1 beschäftigt sich in diesem Forschungsbereich mit der Entwicklung anorganischer Membrane zur Gasseparation. Diese sollen für verschiedene fossile Kraftwerkskonzepte die Trennung der technisch relevanten Gase O2/N2, CO2/H2 und CO2/N2 ermöglichen, um einen möglichst reinen, von den Restgasen abgetrennten Strom des CO2 zu erreichen, das anschließend unterirdisch eingelagert werden soll. Membranverfahren haben gegenüber den konventionellen Abtrennverfahren den Vorteil, dass deutlich geringere Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden müssen als z.B. bei einer chemischen Gaswäsche. Das macht sie insbesondere für Anwendungen im Kraftwerk interessant.

Für die jeweilige Trennaufgabe werden am Institut verschiedene keramische Membrane entwickelt. Bei den unterschiedlichen anorganischen Membrantypen wird unterschieden in dichten, ionen- oder mischleitenden, und mikroporösen kristallinen oder amorphen Membrane.

Bezüglich Permeabilität, Selektivität und Stabilität besteht bei allen Membrantypen noch Entwicklungsbedarf. Das IEK-1 befasst sich mit der Entwicklung und Herstellung von neuen Werkstoffen und Membranschichtoptionen mittels verschiedener Prozesstechnologien.

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Weitere Schichtentwicklungen


Schutzschichten für Faserverbundwerkstoffe

Schutzschichten (engl.: environmental barrier coating, EBC) kommen zum Einsatz, wenn hohe thermische Beanspruchungen und korrosive Atmosphären den Einsatz von Bauteilen und Komponenten erschweren bzw. unmöglich machen. Sie finden zum Beispiel Anwendung in Thermalschutzsystemen von Wiedereintrittsfahrzeugen, als Suchkopfabdeckung für hochagile Flugkörper oder als Beschichtung von Brennkammerschindeln in Fluggasturbinen. Als Schutzschicht in einer Gasturbine resultiert ihre Applikation nicht nur in einem Schutz der jeweiligen Bauteile, sondern führt häufig auch zur Verbesserung der Effizienz und zur Reduzierung der Emissionen.

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Einlaufschichten

Einlaufschichten, besser bekannt unter dem englischen Begriff „abradables“ oder „abradable coatings“ werden seit den 1960er Jahren hauptsächlich im Kompressor und in der Hochdruckturbine von Flugtriebwerken eingesetzt. Allerdings finden sie in jüngster Zeit auch in stationären Gasturbinen immer häufiger Anwendung.

Bei einer Einlaufschicht handelt es sich um eine keramische Schicht, die auf die stationären Teile einer Turbine (Leitschaufeln) appliziert wird, und in die sich die rotierenden Teile (in diesem Fall die Schaufelspitzen der Turbinen-Laufschaufeln) während des Betriebs „einreiben“ bzw. „einlaufen“ können. Auf diese Weise kann die Spaltbreite zwischen fest stehenden und beweglichen Turbinenteilen minimiert werden, wodurch eine deutliche Leistungs- und Effizienzsteigerung der Turbine erzielt werden kann, was wiederum einen reduzierten Treibstoffverbrauch zur Folge hat. In Abbildung 1 ist eine stationäre Leitschaufel des Triebwerksherstellers und Projektpartners des IEK-1 Rolls-Royce gezeigt, auf der eine keramische Einlaufschicht mittels atmosphärischen Plasmaspritzens aufgebracht wurde.

Am IEK-1 werden geeignete Materialien und Prozessparameter für die Herstellung solcher Einlaufschichten in Zusammenarbeit mit dem Triebwerkshersteller Rolls-Royce entwickelt. An Einlaufschichten werden besondere Anforderungen gestellt, da sie auf der einen Seite ein gutes Einlaufverhalten zeigen müssen (was eine gewisse Porosität und damit einhergehend eine nicht zu hohe Härte der Schichten voraussetzt). Auf der anderen Seite müssen sie natürlich auch mechanisch stabil sein sowie den hohen Betriebstemperaturen innerhalb der Turbine standhalten.

Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid ist ein Werkstoff, der häufig für Einlaufschichten verwendet wird. Da die Einsatzgrenze für Schichten aus diesem Material bei ca. 1200°C erreicht ist, liegt das Augenmerk der Forschungsarbeiten an unserem Institut auf der Entwicklung von Schichten aus einem Aluminium-Magnesium-Spinell, die auch bei über 1300°C Betriebstemperatur noch eingesetzt werden können.

Die Optimierung der Schichten bis hin zur industriellen Anwendungsreife ist Gegenstand der Arbeiten am IEK-1.




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