Turbomaschinen Technik aus deutschen Landen dient dem Klimaschutz

Turbinen sind eine deutsche Erfolgsstory. Das Zusammenspiel von Wirtschaft und Forschung, von kleinen und großen Unternehmen trägt Früchte: hocheffiziente Turbomaschinen, die für emissionsarme Kraftwerke unverzichtbar sind.

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Rund 80% des Stroms werden weltweit mit thermischen Turbomaschinen produziert. Turbinen treiben Schiffe und Flugzeuge, sind in Fahrzeugen und vielen Kleinmaschinen unverzichtbar. Turbinen sind vor allem eins: eine Erfolgsgeschichte made in Germany.

Die deutsche Branche hat einen Weltmarktanteil von rund einem Drittel, eine Exportquote von 80% und setzte 2005 fast 14 Mrd. Euro um. Die großen Hersteller beschäftigen weltweit rund 59000 Mitarbeiter, davon 18000 im Inland. Hinzu kommt eine ähnliche große Anzahl von Arbeitsplätzen bei den vielen Zulieferbetrieben, vor allem kleinen und mittleren Unternehmen. „Es ist schön, wenn man mal eine Erfolgsstory erzählen kann“, betonte Dr. Dirk Goldschmidt, stellvertretender Vorsitzender des Forschungsverbundes AG Turbo, Anfang Dezember bei einem Seminar in Köln.

Der Erfolg fiel nicht vom Himmel. Innerhalb der letzten 20 Jahre haben Hersteller und Zulieferer Turbinen auf Vordermann gebracht. Anfang der 80er Jahre lag der Wirkungsgrad bei stationären Gasturbinen bei 30% - heute bei 38%. GuD-Kraftwerke hatten damals 45% Wirkungsgrad, heute 58%. Moderne Turbinen leisten das Drei- bis Vierfache, obwohl sie nicht viel größer sind als früher.

Nicht zuletzt wurden die Stickoxidemissionen, die zum sauren Regen und zum Sommersmog beitragen, um 90% reduziert. Um so weit zu kommen, haben Ingenieure und Techniker nahezu alle wichtigen Komponenten verändert: Sie verbesserten die Aerodynamik, entwickelten wirkungsvollere Kühlsysteme und eine schadstoffarme Vormischverbrennung, außerdem optimierten sie die Werkstoffe, damit Turbomaschinen Temperaturen bis zu 1400 °C aushalten können.

Der Beitrag der Zulieferbranche dabei ist signifikant. Zulieferer bauen Ventile, Gleitlager, Dichtungen und Spezialschrauben. Sie gießen einzelne Bauteile und entwickeln dauerhafte und temperaturbeständige Beschichtungen. Außerdem leisten Zulieferer einen wichtigen Beitrag, wenn es darum geht, Steuerung, Fertigung oder Bohrtechnik zu optimieren, so Goldschmidt.

Turbinenentwicklung gelingt nur im Verbund von Forschung und Wirtschaft, durch enge Kooperation von großen und kleinen Unternehmen - beispielsweise in der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV). Hier kooperieren rund 120 kleine, mittlere und große Firmen im Bereich Motoren und Turbomaschinen, drei Viertel davon sind Zulieferer. Sie definieren und diskutieren gemeinsam Forschungsprojekte. Das erarbeitete Know-how steht allen Mitgliedern zur Verfügung.

Dadurch ist ein schneller Transfer der Forschungsergebnisse aus der Wissenschaft in die industrielle Praxis möglich, betont die FVV, die Anfang November ihr 50jähriges Bestehen feierte. Außerdem hilft die Gemeinschaftsforschung Kosten sparen und eröffnet vor allem kleinen und mittleren Firmen Zugang zu frischem Know-how und die Möglichkeit, ihre eigene Expertise einzubringen. Die FVV biete heute ein umfassendes Expertennetzwerk mit 2000 Entwicklern aus der Industrie und über 100 Forschungsstellen, die derzeit in 80 Projektgruppen an aktuellen Vorhaben zusammenarbeiten, resümiert FVV-Vorstandsvorsitzender Prof. Burkhard Göschel.

„Deutsche Turbinentechnologie ist Weltspitze“, lobt auch Helmut Geipel, Ministerialrat aus dem Bundeswirtschaftsministerium. Dabei freut sich der Wirtschaftspolitiker nicht nur über beeindruckende Exportquoten und sichere Arbeitsplätze. Die Branche ist in seinen Augen zudem ein wichtiger Player im globalen Klimaschutz. Fest steht, dass fossile Energieträger im Kraftwerk künftig effizienter und umweltverträglicher genutzt werden müssen, um die Energieversorgung sicherzustellen und die Emissionen zu senken.

Jeder Prozentpunkt mehr Wirkungsgrad bei einer Gas- oder Dampfturbine spart Brennstoff und damit CO2-Emissionen ein. Daher müssten alle Beteiligten dafür Sorge tragen, betont Geipel, dass für künftige Kohlekraftwerke hocheffiziente Komponenten zur Verfügung stehen.

Was das bedeutet, bringt Dr. Reinhard Mönig, Leiter des Instituts für Antriebstechnik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln, auf den Punkt: „Höhere Wirkungsgrade bedeuten immer auch höhere Prozesstemperaturen. Um sie zu beherrschen, brauchen wir entsprechende Wirkstoffe, die diese Temperaturen über lange Betriebzeiten aushalten, außerdem hoch entwickelte Kühltechnologien für die Heißgaskomponenten und eine sichere Beherrschung der schadstoffarmen Verbrennung.“

Ziel ist letztendlich das CO2-arme oder CO2-freie Kraftwerk. „Wenn wir Kohlekraftwerke bauen wollen, die kein Kohlendioxid mehr ausstoßen, brauchen wir noch effizientere Turbinen und Kompressoren“, sagt Mönig. Im CO2-freien Kraftwerk wird das klimaschädliche Gas vor oder hinter der Feuerung abgetrennt und unterirdisch in geeignete Lagerstätten verpresst.

Für die Abscheideverfahren, für Komprimierung, Transport und Verpressung des Klimagases aber werden Turbinen und Verdichter benötigt, die mit bisher unüblichen Arbeitsmedien und –gemischen und mit großen Volumina zurecht kommen müssen. Es wird nach Schätzungen von Experten zwar noch acht bis zehn Jahre dauern, bis Verdichter und Turbinen CO2-kompatibel sind, keiner aber zweifelt daran, dass auch hier die deutsche Branche ganz vorne mitspielen wird.

Turbomaschinen sind hochkomplexe Systeme. Turbinenentwicklung braucht daher einen langen Atem. Einen langen Atem benötigt aber auch der Markt. Noch sind weltweit erst wenige der neuesten Maschinen installiert. „Ein großes Problem ist, dass wir die zur Verfügung stehende Technologie nicht effizient genug nutzen“, kritisierte in Köln Ministerialrat Geipel. Ein Rechenexempel verdeutlich das Potenzial: Würden alle Kohlekraftwerke weltweit mit Turbomaschinen mit einem Wirkungsgrad von 58 % bestückt, könnte man damit 1,7 Mrd. t CO2 jährlich einsparen. Das entspricht knapp der Hälfte der Menge an Kohlendioxid, die die gesamte EU im vergangenen Jahr ausgestoßen hat.

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