Fossil befeuerte Kraftwerke mit geringen Emissionen

Den wachsenden Energiebedarfs der Welt auf nachhaltige Weise zu decken, ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Eine ausgeprägtere Nutzung erneuerbarer Ressourcen wie Wind- und Sonnenenergie ist zwar ein wichtiges Ziel, doch aufgrund ihrer schwankenden Verfügbarkeit können entsprechende Systeme die Verbrennung fossiler Brennstoffe nicht vollständig ersetzen.

Die EU-finanzierten Wissenschaftler des Projekts Z-ULTRA (Z phase strengthened steels for ultra-supercritical power plants) planen, durch Stahl mit verbesserter Wärmebeständigkeit höhere Temperaturen zu ermöglichen. Die Forschung ist insbesondere auf die Entwicklung und Qualifizierung einer Stahllegierung gerichtet, die sich durch einen Chromgehalt von 12 % auszeichnet.

Durch die Anlagerung feiner Nitridpartikel ermöglichen Stahle mit 9 % Chrom seit langem eine höhere Dampftemperatur. Eine Anhebung des Chromgehalts auf 11 bis 12 % führte jedoch bisher dazu, dass anstatt der gewünschten feinen Nitridpartikel die abträgliche, thermodynamisch stabile Z-Phase angelagert wurde.

Anstatt das Wachstum der Z-Phasen-Partikel zu unterdrücken, möchten die Forscher von Z-ULTRA von ihrer festigenden Wirkung profitieren. Zu diesem Zweck möchten sie die chemischen Verbindungen und Wärmebehandlungsverfahren ermitteln, die zu einer kontrollierten Keimbildung und reduzierten Vergröberungsraten führen.

Mit Versuchen im Nanomaßstab, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden, testen die Teammitglieder derzeit drei neue Legierungen und Wärmebehandlungen. Zudem ermöglichen quantenmechanische numerische Analysen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie eine Optimierung der Strukturen und der Stapelreihenfolge zur Erleichterung der Keimbildung der Z-Phase. Die theoretische Arbeit wird durch thermodynamische und kinetische Modellierung unterstützt, welche wiederum durch experimentelle Messungen ergänzt wird.

Demonstrationssysteme wurden hergestellt und werden nun Kriechverformungs-, Korrosions- und Oxidationsprüfungen unterzogen. Forscher möchten einen wärmebeständigen Stahl entwickeln, der einen thermischen Wirkungsgrad fossil befeuerter Kraftwerke von über 50 % ermöglicht – dies entspricht einer Steigerung von 30 % gegenüber den meisten aktuellen Kraftwerken. Die Kohlenstoffdioxid-Emissionen würden entsprechend sinken, was unschätzbar wertvoll für die Umwelt unseres Planeten wäre.