Deutschlands Netzbetreiber stellt der kontinuierliche Ausbau von Wind- und Solarindustrie vor große Herausforderungen. Für eine unterbrechungsfreie Strom- und Wärmeversorgung ist ein flexibles Back-Up-System erforderlich, das die schwankende Erzeugungsleistung erneuerbarer Energien bedarfsgerecht kompensiert. Die Bundesregierung hat deshalb den Bau neuer Gaskraftwerke beschlossen und mit dem sogenannten Strom-Vorsorgungssicherheits- und Kapazitätsgesetz (StromVKG) geregelt. Insgesamt elf Gigawatt an neuer, steuerbarer Energie sollen noch im laufenden Jahr 2026 ausgeschrieben werden und spätestens 2031 am Netz sein. Neun Gigawatt davon müssen Langzeitverfügbarkeit gewährleisten, also Strom im Bedarfsfall für mindestens zehn Stunden bereitstellen können. Weitere Ausschreibungen sind für 2027 und 2029 geplant. Die neuen Gaskraftwerke sollen H2-ready auslegt sein, also perspektivisch den Umstieg von Erdgas auf Wasserstoff ermöglichen. Diese Vorgaben stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe. Ein Schlüsselwerkstoff für zentrale Komponenten moderner Gaskraftwerke ist Edelstahl Rostfrei.
Flexible Kapazitäten, insbesondere neue Gaskraftwerke, aber auch Anlagen wie Batteriespeicher, gelten als Rückgrat der Versorgungssicherheit. Sie ergänzen die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, indem sie das Netz auch dann stabilisieren, wenn die erneuerbare Erzeugungsleistung witterungsbedingt nicht der Nachfrage entspricht. Zugleich sollen die neuen Gaskraftwerke die Dekarbonisierung des Energiesektors vorantreiben und spätestens 2045 klimaneutral mit Wasserstoff laufen. Besonders flexibel sind Gasturbinenkraftwerke, die mit heißem Verbrennungsgas eine Turbine antreiben. Sie sind innerhalb weniger Minuten startbereit, lassen jedoch die heißen Abgase weitgehend ungenutzt. Deutlich effizienter arbeiten Gas- und Dampfturbinenkraftwerke, kurz GuD-Kraftwerke, durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Sie nutzen die heißen Abgase für den Antrieb einer nachgeschalteten Dampfturbine. Sie expandiert den Dampf und erzeugt so mechanische oder elektrische Leistung. Die Wärmeauskopplung für Fernwärme erfolgt dann beispielsweise über Heizkondensatoren oder durch Dampfentnahme aus entsprechenden Turbinenstufen. Die Kombination von diesen beiden thermodynamischen Prozessen ermöglicht modernen GuD-Kraftwerken einen Wirkungsgrad von bis zu mehr als 60 Prozent und hohe betriebliche Flexibilität. Bei den anstehenden Neugenehmigungen wird dieser Anlagentyp daher voraussichtlich mehrheitlich umgesetzt werden.
Wichtige Werkstoffeigenschaften für neue Kraftwerksgeneration
Steigende Anforderungen an Effizienz, Nachhaltigkeit und Sicherheit der Gaskraftwerke verleiht den für den Bau der Anlagen eingesetzten Werkstoffen besondere Bedeutung. Angesichts der anspruchsvollen Betriebsbedingungen mit wechselnden chemischen, thermischen, mechanischen und dynamischen Beanspruchungen entscheidet die Materialauswahl über Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Aggregate. Korrosionsbeständigkeit auch gegenüber aggressiven Medien, Temperatur- und Druckbeständigkeit, Festigkeit und Schweißbarkeit sind integrale Parameter für die Werkstoffauswahl. Für zahlreiche Systeme ist deshalb das breite Legierungsspektrum von nichtrostenden Stählen eine gute Wahl. Die geforderte Wasserstofffähigkeit der neuen Kraftwerke rückt die Vorteile von Edelstahl wie Dichtheit, Korrosionsbeständigkeit und gute Verarbeitungseigenschaften zusätzlich in den Fokus. Die Auswahl der konkreten Werkstoffsorte wird durch die jeweiligen Einsatzbedingungen der Komponenten wie Druck, Temperatur, Medium, Wasserstoffanteil und Chloridgehalt bestimmt. Bei medienführenden Bauteilen wie Armaturen, Befestigungen, Behältern, Filtern, Messsystemen, Rohren, Pumpen, Turbinen, Ventilen, Verdichtern oder Wärmetauschern kommen je nach Betriebsbedingungen in vielen Fällen austenitische oder martensitische nichtrostende Stähle sowie Duplexstähle zum Einsatz.
Hohe Beanspruchung in Verdichtern und Turbinen
In Gaskraftwerken wird die angesaugte Umgebungsluft vor der Verbrennung in mehreren Verdichterstufen komprimiert. Schaufeln, Wellen und Gehäuse sind dabei wechselnden Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Neben speziellen Nickelbasislegierungen oder hochwarmfesten Stählen wird hier beispielsweise die martensitische Edelstahlgüte 1.4313 gewählt. Für die thermisch hochbelastete Brennkammer, in der das eingespritzte Erdgas verbrannt wird, ist für Bauteile bei Temperaturen bis etwa 1.000 °C beispielsweise der austenitische, hitzebeständige Edelstahl 1.4845 ein bewährter Werkstoff. Zunderbeständigkeit bis 1.050 °C in oxidierenden Atmosphären sowie gute mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen sprechen für seine Wahl. Für äußere Gehäuseteile oder Halterungen kommen hier auch die hitzebeständigen austenitischen Edelstähle 1.4841, 1.4828 oder 1.4713 zum Einsatz. Das heiße Verbrennungsgas dehnt sich in der Turbine aus und treibt über eine Welle gleichzeitig Verdichter und Generator an. Für Komponenten der Gasturbinen wie Läufer, Scheiben, Wellen und Befestigungselemente ist die korrosionsbeständige ausscheidungshärtbare Güte 1.4980 eine gute Wahl.
Großes Einsatzpotenzial in GuD-Kraftwerken
Bei GuD-Kraftwerken werden die heißen Abgase durch einen Abhitzedampferzeuger (Heat Recovery Steam Generator, HRSG) geleitet. Hier kommen abhängig vom Einsatzort – vorne oder hinten im Abhitzekessel – unterschiedliche Edelstahlgüten zum Einsatz. Sie müssen hohen Temperaturen, Druckwechseln, thermischer Ermüdung sowie Korrosion zuverlässig widerstehen. Im vorderen Bereich, wo das Rauchgas eintritt, bewähren sich beispielsweise hochlegierte austenitische Edelstahlrohre der Güte 1.4961. Für besonders belastete Bauteile wie Rohrbündel, Sammler oder Dampfleitungen fällt die Wahl oftmals auf die Werkstoffgüte 1.4912. In der Kondensationszone am Ende des Abhitzekessels bieten Edelstahl der Güte 1.4404 oder die titanstabilisierte Sorte 1.4571 Schutz vor Tauwasserkorrosion durch Säuren aus Restfeuchte oder Schwefel im Abgas. Für die Innenverkleidung der Abhitzekessel werden auch Edelstahlbleche der Güten 1.4828 oder 1.4841 schindelartig montiert. Beispielhaft hierfür steht heute das Gaskraftwerk Emsland.
Die Kombination von Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Langlebigkeit prädestiniert nichtrostende Stähle auch für verschiedene Wärmetauscher in GuD-Kraftwerken. Neben dem Abhitzedampferzeuger zählen dazu High Pressure (HP)- oder Low Presse (LP) Vorwärmer im Wasser-Dampf-Kreislauf sowie die Kondensatoren, in denen der Dampf wieder zu Wasser abkühlt. Hier eingesetzte Edelstahlgüten sind beispielsweise 1.4301, 1.4307, 1.4541, 1.4401 und 1.4510 sowie Duplexstähle wie 1.4462. Für mäßig chloridhaltige Kühlwässer bieten die Edelstahlgüten 1.4404 und 1.4432 guten Schutz gegen Lochkorrosion. Bei stark belastetem Kühlwasser, hoher thermischer Beanspruchung oder bei Meerwasser sind höher legierte Sorten wie 1.4539 oder Superduplex wie 1.4410 erforderlich. Ein ebenso breites wie wichtiges Einsatzfeld für nichtrostende Stähle sind Armaturen wie Absperrventile, Durchflussregler, Drucksensoren und Füllstandsmesser. Abhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen werden bei Temperaturen bis 500 °C beispielsweise warmfeste Legierungen wie der säurebeständige, austenitische Werkstoff 1.4571 eingesetzt.
Auslegung für Wasserstoff steigert Bedeutung von Edelstahl
Mit Blick auf die von der Bundesregierung geforderte Wasserstofffähigkeit (H2-Readiness) der neuen Kraftwerke gewinnt der Werkstoff Edelstahl noch weiter an Bedeutung. Komponenten wie Brenngassysteme, Armaturen, Dichtungen, Messsysteme und Rohrleitungen der neuen Gaskraftwerke müssen bereits heute auf die geplante Umstellung von Erdgas auf Wasserstoff und Gasmischungen ausgelegt werden. In viele Metalle können Wasserstoffatome eindringen und dadurch vorzeitige Materialermüdung mit Rissbildung und Sprödbruch verursachen. Die Gefügestruktur von anwendungsbezogen ausgelegtem Edelstahl widersteht hingegen Eindringen von atomarem Wasserstoff (Permeation) ebenso wie dadurch verursachtem schleichendem Leistungsverlust (Degradation). Seine anhaltend hohe Festigkeit, Duktilität und Homogenität schützen Bauteile vor Versprödung. Standardmäßig kommen für viele Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, die nichtrostenden austenitischen Edelstähle der Güten 1.4435, 1.4404 und 1.4307 zum Einsatz. Für besonders kritische Anwendungen mit extremen Korrosionsanforderungen sind auch die Güten 1.4439, 1.4462 (Duplex) und 1.4410 (Superduplex) bewährte Werkstoffe.
Werkstoffauswahl als zentraler Erfolgsfaktor
Der Trend zu flexiblen, klimafreundlichen und spätestens ab 2045 klimaneutralen Gaskraftwerken verändert auch die Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe. Die Auslegung auf perspektivisch veränderte Betriebsbedingungen, häufige Last- und Temperaturwechsel, Einsatz zunehmend aggressiver Medien und maximale Effizienz macht die Werkstoffauswahl zu einem zentralen Erfolgsparameter. Korrosions- und Temperaturwechselbeständigkeit, Festigkeit, Duktilität und Homogenität qualifizieren Edelstahl Rostfrei in diesem Spannungsfeld als wichtigen Werkstoff. Vor dem Hintergrund der erforderlichen langen Lebensdauer, hohen Verfügbarkeit und geringen Wartungsintensität der neuen Kraftwerksgeneration sind fachgerecht ausgewählte nichtrostende Stähle für zahlreiche Anlagenkomponenten ein Garant für nachhaltige Sicherheit und Effizienz.