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Hitzeschutz in der Turbine

In Gas- oder Dampfturbinen, wie sie zur Stromerzeugung in Kraftwerken aber auch zum Antrieb bei Flugzeugen zum Einsatz kommen, gilt: je höher Betriebstemperatur und –druck, desto höher die Effizienz und umso mehr Strom holt eine Kraftwerksturbine aus jedem Kubikmeter Erdgas heraus. So sind Betriebstemperaturen bis zu 1200°C für stationäre Gasturbinen heute durchaus üblich; diese sind jedoch nur zu realisieren, wenn die metallischen Grundwerkstoffe der zentralen Komponenten durch Schutzschichten gegen Wärmeeinwirkung und Korrosion geschützt werden.

Die gegenwärtig eingesetzten Schutzschichten werden schon zunehmend bis an ihre Temperaturgrenzen ausgereizt. Sie sind insbesondere nicht darauf ausgelegt, auch mit Brenngasen aus alternativen Brennstoffen (z.B. Biofuels oder Wasserstoff) oder in Kraftwerksturbinen mit schnellen Lastwechseln eingesetzt zu werden - Anforderungen, die im Zuge der Energiewende an Bedeutung gewinnen.

SuspensionsplasmaspritzenEine Mixtur aus Keramikpulver und Wasser oder Ethanol wird in die Fackel eines Plasmabrenners injiziert und beschleunigt. Das Ergebnis ist eine dünne keramische Schutzschicht auf dem Werkstück.

Die Jülicher Forscher wollen die Schutzschichtsysteme deshalb widerstandsfähiger machen, damit sie den extremen Bedingungen bei noch höheren Temperaturen, häufigeren Lastwechseln und veränderlichen Brennstoffzusammensetzungen dauerhaft widerstehen können. Ansätze sind dabei sowohl die Erprobung neuer Materialklassen als auch die Entwicklung neuartiger Mikrostrukturen:
So erhöhen die Forscher beispielsweise den Anteil an feinen Poren in Wärmedämmschichten, denn Luftporen reflektieren Wärmestrahlung und erhöhen die Isolation – je mehr Poren, desto besser die Wärmedämmung. Die Stellschraube für mehr Porosität ist der Herstellungsprozess, bei dem gemahlenes Keramikpulver in die 3000 Grad heiße Flamme eines Plasmabrenners injiziert wird, wo es schmilzt.

HalogenlampenofenHalogenlampenofen im Labor des Instituts für Energie- und Klimaforschung. Die einzelnen Halogenlampen können einzeln angesteuert werden. Dadurch können rasche und extreme Temperaturschwankungen nachgestellt werden, die in der Praxis - also im Inneren von Kraftwerksturbinen - bedeutsam sind.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Die so erzeugten Wärmedämmschichten zeigen ein exzellentes Streuvermögen – bis zu 95 Prozent der Wärmestrahlung wird zurückgeworfen. Angestrebt werden Betriebstemperaturen für die Gasturbinen von 1450 Grad. Um dies zu erreichen, erforschen die Wissenschaftler die Möglichkeit, auf das derzeit verwendete Material einen zusätzlichen Schutzpanzer aus komplett neu entwickelten Keramiken aufzutragen.

Neue Wärmedämmsysteme nutzen dem Klima, denn wenn ein 240-Megawatt-Gasturbinenkraftwerk zwei Prozent mehr Strom aus der gleichen Menge Erdgas herausholt, so produziert es diesen Strom preiswerter und setzt jährlich 24.000 Tonnen weniger Kohlendioxid frei.


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