sCO2-Durchbruch: Superkritische Fluide erlauben Bau effektiverer Turbinen
Die Vorstellung eines kommerziellen Stromgenerators mit überkritischem CO 2 (sCO 2 ) im Dezember 2025 in China, des Chaotan One , könnte Einfluss auf die weltweite Stromerzeugung haben. Dabei handelt es sich hier nicht um ein neuartiges Kraftwerk oder eine revolutionäre Form der Stromerzeugung.
Aber allein der Einsatz von überkritischem CO 2 für den Energietransport in dem altbekannten thermodynamischen Kreisprozess(öffnet im neuen Fenster) kann die Umwandlung von Abwärme und Prozesswärme aus Kraftwerken, Stahlwerken, Biogasanlagen und so weiter in Strom erheblich effektiver gestalten. Laut der China National Nuclear Corporation (CNNC)(öffnet im neuen Fenster) liegt die Steigerung bei 85 Prozent. Im Forschungsprojekt Carbosola(öffnet im neuen Fenster) von Siemens Energy und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ist zumindest von 25 Prozent die Rede.
Weil die Wärmeübertragung besser gelingt und der Stromgenerator zudem deutlich kleiner gebaut werden kann, wäre ein Einsatz an vielen Standorten denkbar, an denen derzeit noch keine Umwandlung in Strom stattfindet. Zur Effizienzsteigerung käme somit der Umstand hinzu, dass auch kleine Industriebetriebe, deren Abärme derzeit noch ungenutzt bleibt, zukünftig auf diese Weise Strom produzieren könnten.
Kohlenstoffdioxid ist der perfekte Kandidat
Experimentiert und sogar praktisch gearbeitet wird mit überkritischen Fluiden schon längst. Moderne Kohlekraftwerke setzen überkritisches Wasser für den Kreislaufprozess ein. Es kann bis zu zehnmal mehr Energie übertragen als Wasserdampf.
Die Herausforderung liegt darin, einen Stoff in den überkritischen Zustand zu versetzen. Das ist dabei wörtlich zu verstehen, denn für fast alle Stoffe lässt sich ein kritischer Punkt ermitteln, an dem die Phasengrenze zwischen flüssig und gasförmig verschwindet. In diesem Zustand strömt der Stoff ähnlich gut wie ein Gas, kann aber fast so viel Energie übertragen wie eine Flüssigkeit.
Bei Wasser liegt dieser Punkt bei annähernd 400 °C, sofern der Druck einen Wert von mindestens 22 Megapascal (MPa) oder das 220-Fache des Normaldrucks annimmt. Entsprechend groß sind die Anforderungen an die Leitungssysteme.
CO 2 erreicht den Zustand dagegen schon bei 31 °C und 7,4 MPa. Gleichzeitig ist Kohlenstoffdioxid sehr gut verfügbar und vergleichsweise harmlos. Zudem wird es in einem komplett geschlossenen Kreislauf eingesetzt.
Kombinierte Eigenschaften für effektive Nutzung
Im Vergleich zu überkritischem Wasser weist Kohlenstoffdioxid im diesem Zustand eine noch höhere Dichte auf. Im Zusammenspiel mit einer sehr guten Fließfähigkeit im überkritischen Zustand kann es somit noch effektiver eingesetzt werden. Weniger Druck und Wärme sind nötig, während die Energieübertragung noch besser gelingt.
Das größte Problem bei der Verwendung von sCO 2 bestand bisher in der enormen Extraktionsfähigkeit. Es kann in eine Vielzahl von Materialien eindringen und diese zersetzen. Auch die Korrosion von Metallkomponenten stellt eine große Herausforderung dar.
Hinzu kommt, dass sCO 2 anders fließt als Wasser, so dass das Design der Turbinen komplett neu gestaltet werden musste. Mit dem chinesischen Stromgenerator Chaotan One scheinen diese technischen Probleme nun gelöst worden zu sein. Wobei es sich hierbei um den ersten seiner Art handelt, der noch beweisen muss, dass er auf Dauer effizienter arbeiten kann als mit überkritischem Wasser für den Wärmetransport.