USA: Getestetes Energieumwandlungssystem könnte Effizienz von Kraftwerken spürbar erhöhen

Forschende von Sandia, einer Forschungs- und Entwicklungseinrichtung des amerikanischen Department of Energy (DOE), haben kürzlich Strom aus einem neuen Energieumwandlungssystem in ein lokales Netz eingespeist. Laut DOE kam dabei ein System zum Einsatz, das nach dem geschlossenen Gasturbinenprozess (Joule- oder Brayton-Kreisprozess) mit Rekuperation funktioniert und eine Gasturbine sowie überkritisches CO₂ als Arbeitsmedium benötigt. Der Wasser-Dampfkreislauf heutiger Kernkraftwerke funktioniert hingegen nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess und benötigt eine Dampfturbine sowie Wasser als Arbeitsmedium.

Beim Sandia-Testsystem durchläuft das Gas einen kontinuierlichen Kreislauf, in dem es unter Druck gesetzt, erhitzt und durch eine Turbine expandiert wird – deren mechanische Energie wird zur Stromerzeugung genutzt. Nach dem Austritt aus der Turbine wird das Gas in einem Rekuperator abgekühlt, bevor es zum Kompressor zurückkehrt, um den Kreislauf zu schliessen.

Gemäss Sandia wurden für die Testläufe ein elektrischer Heizer verwendet, um das überkritische CO₂ auf bis zu 316°C zu erhitzen. Während bei früheren Versuchen Strom in eine Lastbank geleitet worden sei, hätten sie bei ihrem grossen Versuch Strom in das lokale Netz des Luftwaffenstützpunkts Kirtland einspeisen dürfen – zeitweise bis zu 10 kW während 50 Minuten.

Kosteneinsparungen und weniger Treibhausgasemissionen
Bei einer Dampfturbine, die nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess funktioniere, gehe bei der Rückumwandlung von Dampf in Wasser viel Energie verloren, wodurch höchstens ein Drittel der im Dampf enthaltenen Energie in Strom umgewandelt werden könne, erklärten die Sandia-Forschenden. «Im Vergleich dazu hat der Brayton-Kreisprozess [mit überkritischem CO₂] eine theoretische Umwandlungseffizienz von über 50 Prozent.» Der Grund für den höheren Wirkungsgrad beim Brayton-Kreislaufs liege im deutlichen Temperaturunterschied zwischen dem heissen Turbinenauslass und dem kalten Kompressorauslass, was die Wärmeübertragung innerhalb des Kreislaufs antreibe und für den Grossteil der Wärmezufuhr zum Hochdruckfluid sorge.

Sandia werde ihr System weiterentwickeln, damit die Industrie und es bei Kohle- und Kernkraftwerken oder bei der konzentrierten Solarthermie einsetzen könne. «Ein Prozent Effizienzsteigerung in einem Kraftwerk bedeutet auf dem heutigen Markt [Einsparungen von] Millionen und Abermillionen von Dollar, weil weniger Brennstoff verbrannt wird, um die gleiche Menge Strom zu erzeugen», liessen die Forschenden verlauten. «Eine einprozentige Verbesserung der Effizienz reduziert auch die Treibhausgase um etwa 2,9 Prozent. Eine Steigerung der Effizienz auf 50 Prozent reduziert die Emissionen um 34 Prozent.»

Dass sich Steigerungen beim Wirkungsgrad und eine bessere Energieeffizienz lohnen, zeigen auch die vielfältigen Effizienzsteigerungen, die die Betreiber der Schweizer Kernkraftwerke in den letzten Jahren umgesetzt haben.