China schließt weltweit ersten kommerziellen Stromgenerator mit überkritischem CO₂ ans Netz an

Ein Meilenstein fürs Stromnetz und ein neuer Kraftwerkskreislauf

China hat den weltweit ersten kommerziellen Stromgenerator, der mit überkritischem Kohlendioxid arbeitet, ans Stromnetz angeschlossen. Damit beginnt eine neue Etappe für hocheffiziente thermische Stromerzeugung. Die Anlage befindet sich im Stahlwerk Shougang Shuicheng in Liupanshui in der Provinz Guizhou und wandelt Hochtemperatur-Abwärme aus der Stahlproduktion in Strom um. Das Projekt wurde vom Kernkraftinstitut China unter dem Dach der China National Nuclear Corporation mit technischer Unterstützung von Jigang International Engineering and Technology gebaut. Es umfasst zwei Anlagen mit einer Leistung von jeweils 15 Megawatt. Als Arbeitsmedium dient Kohlendioxid statt Wasserdampf. Der Hersteller gibt an, dass die Anlagen Abwärme mindestens 50 Prozent besser zurückgewinnen und nutzen können als herkömmliche dampfbasierte Systeme in Stahlwerken.

Das ist bedeutsam, weil überkritisches Kohlendioxid, oft als sCO2 abgekürzt, kleinere Turbinen, schnellere Anfahrzeiten und einen höheren thermischen Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen ermöglichen kann. Diese Eigenschaften passen zu den Anforderungen der Schwerindustrie: Wärme, die derzeit über Schornsteine und Kühlsysteme entweicht, lässt sich so in eine stabile Stromquelle verwandeln. Sie eignen sich auch für Kernreaktoren der nächsten Generation und solarthermische Kraftwerke, bei denen jeder Prozentpunkt mehr Wirkungsgrad Kosten senken und die Größe zentraler Komponenten verringern kann.

Das Projekt in Guizhou erprobt zudem, wie sich die Technologie außerhalb eines Labors bewährt. Die Stahlherstellung zählt zu den energieintensivsten Industriezweigen. Sinteranlagen und Öfen geben große Wärmemengen mit Temperaturen von deutlich über 700 Grad Celsius (1292 Grad Fahrenheit) ab. Wird diese Wärme genutzt, verbessert sich die Energiebilanz des Werks und es kann weniger Strom aus dem örtlichen Netz beziehen. Im Vergleich zu Dampfkreisläufen lässt sich zudem Wasser einsparen – ein Vorteil in Regionen mit knappen Wasservorräten.

Was ist Stromerzeugung mit überkritischem CO₂ und warum ist sie wichtig?

Überkritisches Kohlendioxid ist Kohlendioxid, das über seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck gehalten wird – ungefähr 31 Grad Celsius und 74 bar. In diesem Zustand ist es ein dichtes Fluid mit Eigenschaften sowohl eines Gases als auch einer Flüssigkeit. Dank seiner hohen Dichte können Ingenieure kompakte Turbinen und Wärmetauscher bauen. In einem sCO2-Kraftwerksblock zirkuliert das Fluid in einem geschlossenen Kreislauf: Es nimmt Wärme aus einer Quelle auf, wird durch eine Turbine geleitet, um einen Generator anzutreiben, und gibt anschließend Wärme an einen Kühler ab, bevor es komprimiert und zur Wärmequelle zurückgeführt wird. Dieser Kreislauf heißt Brayton-Kreisprozess. Er ist mit den Gasturbinenkreisläufen von Düsentriebwerken verwandt, verwendet aber CO₂ als Arbeitsmedium und Rekuperatoren, die Wärme innerhalb des Kreislaufs zurückführen.

So funktioniert der Kreislauf

Im Stahlwerk strömen heiße Gase aus dem Sintern und verwandten Prozessen durch einen Wärmetauscher, der Energie auf den sCO2-Kreislauf überträgt. Das erhitzte Kohlendioxid dehnt sich in einer Turbine aus und treibt so einen Generator zur Stromerzeugung an. Nach der Expansion enthält das CO₂ noch beträchtliche Wärme. Deshalb strömt es durch einen Rekuperator, um den eintretenden Strom vorzuwärmen und den Wirkungsgrad zu steigern. Anschließend gibt das Fluid seine restliche Wärme an einen Kühler ab, wird komprimiert und zum Wärmetauscher zurückgeführt, wo der Prozess von vorn beginnt. Da sich CO₂ nahe seinem kritischen Punkt im Vergleich zu einem gewöhnlichen Gas leicht komprimieren lässt, benötigt der Kreislauf weniger Energie für die Kompression. Das erhöht den Netto-Wirkungsgrad.

Vorteile bei Wirkungsgrad und Größe

Herkömmliche Dampf-Rankine-Kreisläufe sind ausgereift und zuverlässig. Ohne sehr hohe Temperaturen und Drücke stoßen sie jedoch an Wirkungsgradgrenzen, und ihre Komponenten sind groß. Berichten zum chinesischen Projekt und zu internationalen Pilotanlagen zufolge können sCO2-Kreisläufe bei hohen Temperaturen thermische Wirkungsgrade von mehr als 50 Prozent erreichen. Moderne Dampfkreisläufe liegen unter vergleichbaren Bedingungen eher bei 40 Prozent. Bei der Abwärmenutzung hängt der genaue Wirkungsgrad von der Temperatur der Wärmequelle und der Anlagenkonstruktion ab. Der sCO2-Ansatz kann jedoch den Anteil der Wärme, der sich in Strom umwandeln lässt, deutlich erhöhen. Auch die Anlagenkomponenten sind kompakt: Da CO₂ viel dichter ist als Wasserdampf, können Turbinen und Rohrleitungen bei gleicher Leistung erheblich kleiner ausfallen.

Warum ein Stahlwerk die ideale Wärmequelle bietet

Stahlwerke verbrauchen enorme Energiemengen beim Sintern, Verkoksen und Warmwalzen. Beim Sintern werden feine Erze bei Temperaturen agglomeriert, die häufig über 700 Grad Celsius liegen. Öfen und Abgaskanäle führen die Wärme anschließend aus dem Prozess ab. Ein Kreislauf mit überkritischem CO₂ kann diesen Wärmestrom über einen robusten Wärmetauscher anzapfen und einen großen Teil der Energie zurückgewinnen, der sonst verloren ginge.

Der Einsatz in der Industrie bringt weitere Vorteile. Ein sCO2-Kraftwerksblock benötigt im Vergleich zu Dampfsystemen sehr wenig Wasser, da weder große Mengen Speisewasser noch Nasskühltürme erforderlich sind. Als Arbeitsmedium ist CO₂ vergleichsweise inert und gegenüber vielen Legierungen weniger korrosiv als Hochtemperaturdampf, was einige Herausforderungen bei den Werkstoffen mindern kann. Im Normalbetrieb wird das CO₂ wegen des geschlossenen Kreislaufs nicht abgelassen. Kleine CO₂-Verluste im Kreislauf sind möglich und müssen ausgeglichen werden, doch das System ist nicht auf eine ständige Zufuhr frischen CO₂ angewiesen.

Für Anlagenbetreiber bedeuten diese Eigenschaften einen geringeren Platzbedarf des Kraftwerksblocks, weniger Hilfsanlagen und einen flexibleren Betrieb. Anfahren und Herunterfahren können schneller erfolgen als bei Dampfsystemen. Das ist bei Prozessen nützlich, deren Temperaturen sich im Tagesverlauf ändern.

Ist eine Nutzung in Kernkraft und Solarenergie möglich?

Viele Reaktorkonzepte der nächsten Generation liefern Austrittstemperaturen, die sich für sCO2-Turbinen eignen. Hochtemperatur-Gasreaktoren, Flüssigsalzreaktoren und Natrium-Schnellreaktoren zielen alle auf höhere Kerntemperaturen als Druckwasserreaktoren ab. Mit sCO2 lässt sich diese Wärme effizient nutzen. Eine kompakte Turbine passt zudem gut zu kleinen modularen Reaktoren, bei denen Platzbedarf und Einfachheit wichtig sind.

Dasselbe gilt für solarthermische Kraftwerke, die Wärme in geschmolzenen Salzen speichern und anschließend einem Kraftwerksblock zuführen. Ein Demonstrationsplan in China sieht vor, ein solarthermisches Turmkraftwerk im Demonstrationsmaßstab in Dunhuang von Dampf auf einen sCO2-Kraftwerksblock umzurüsten, um die Einsatzbereitschaft der Zulieferer und das Betriebsverhalten zu bewerten. Dabei stehen zwei zentrale Komponenten im Mittelpunkt: ein zuverlässiger Wärmetauscher zwischen Flüssigsalz und CO₂ sowie ein Kompressorstrang, der CO₂ nahe seinem kritischen Punkt verarbeiten kann. Beide Aufgaben sind anspruchsvoll, doch Fortschritte bei Werkstoffen, Dichtungen und Steuerungssystemen machen ihre Umsetzung zunehmend erreichbar.

Wenn sich Wärmetauscher und Turbomaschinen im realen Betrieb als langlebig erweisen, wird der Weg zu größeren sCO2-Kraftwerksblöcken klarer. Die möglichen Vorteile sind beträchtlich: Ein höherer Kreislaufwirkungsgrad bedeutet, dass bei gleicher Netzeinspeisung kleinere Solarfelder oder Reaktorkerne ausreichen. Ein geringerer Wasserverbrauch erleichtert zudem die Standortwahl.

Wie China die Anlage gebaut hat und wer hinter dem Projekt steht

Die Anlage in Guizhou ist das Ergebnis eines langjährigen Programms des Kernkraftinstituts China, das zur CNNC gehört. Das Institut arbeitet seit mehr als einem Jahrzehnt an sCO2-Kreisläufen, Turbinen, Lagern, Dichtungen und Steuerungen. Es hat Bauteile getestet und Pilotanlagen gebaut. Jigang International Engineering and Technology war als technischer Partner für die Einbindung in die Schwerindustrie beteiligt. Der Betreiber Shougang Shuicheng Steel stellte den Standort und den Zugang zu hochwertigen Abwärmeströmen bereit.

Jede Anlage hat eine Leistung von 15 Megawatt. Zwei Anlagen sorgen für Redundanz und geben den Betreibern die Möglichkeit, Steuerungsstrategien unter realen Produktionsbedingungen zu testen. Die CNNC bezeichnet das Projekt als Grundlage für künftige Anlagen in der Schwerindustrie und der Stromerzeugung. Ziel ist es, standardisierte Module zu entwickeln, die sich an verschiedenen Standorten vervielfältigen lassen. Das ist wichtig, denn die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung steigt, wenn Anlagen in größerem Maßstab produziert und mit möglichst wenig individuellen Anpassungen installiert werden können.

Was Experten sagen

Außerhalb Chinas weisen Forschungsgruppen und Industrieunternehmen die Zuverlässigkeit von sCO2-Komponenten und Teilsystemen nach. In Texas schloss die vom US-Energieministerium unterstützte und von einem Konsortium geleitete Pilotanlage Supercritical Transformational Electric Power mit einer elektrischen Leistung von 10 Megawatt 2024 ihre erste Phase ab. Dabei wurde der Betrieb bei voller Drehzahl mit integrierten Turbomaschinen und Steuerungen demonstriert. Forschende am Southwest Research Institute, das das Programm unterstützt, betonen, wie wichtig integrierte Tests sind, bei denen Kompressoren, Turbinen, Heiz- und Kühleinrichtungen sowie Steuerungssoftware gemeinsam als eine Anlage laufen.

Mark Hibbs, Senior Fellow bei der Carnegie Endowment for International Peace und Experte für Chinas Nuklearsektor, sagte, China treibe die Entwicklung rasch voran, um seine technische Führungsrolle zu demonstrieren.

Die Chinesen kommen sehr, sehr schnell voran. Sie wollen der Welt unbedingt zeigen, dass ihr Programm nicht aufzuhalten ist.

Tim Allison, Leiter der Abteilung für Maschinenbau am Southwest Research Institute und Mitarbeiter am texanischen Pilotprojekt, beschrieb den Meilenstein, einen integrierten sCO2-Kraftwerksblock bei voller Drehzahl zu betreiben.

Der Betrieb des integrierten Systems ist eine bemerkenswerte Leistung. Vorausgegangen waren die erfolgreichen Inbetriebnahmearbeiten des Teams an den einzelnen Komponenten. Nun wird der gemeinsame Betrieb sämtlicher Anlagenkomponenten demonstriert, darunter die Steuerungen, der Kompressor, die Wärmetauscher, der Erhitzer, die Turbine und der CO₂-Kreislauf sowie die Strom- und Gasversorgung und die Kühlwassersysteme der Anlage.

Die noch zu lösenden technischen Herausforderungen

Die zentrale Herausforderung besteht darin, kompakte, hocheffiziente Turbinen zu bauen, die hohen Temperaturen und Drehzahlen standhalten. Studien aus Wissenschaft und Industrie beschreiben Turbinenläufer mit Drehzahlen von etwa 30.000 bis 40.000 Umdrehungen pro Minute. Die Schaufeln und Gehäuse sind dabei Temperaturen von über 600 Grad Celsius ausgesetzt. Nickelbasislegierungen und hochentwickelte Stähle sind gängige Werkstoffe für Innenzylinder und Läufer. Für die äußeren Gehäuse werden ferritische Stähle verwendet, um Spannungen und Kosten zu beherrschen. Die richtige Materialkombination muss Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeausdehnung ausbalancieren, damit die Spaltmaße eng bleiben, ohne dass Bauteile aneinanderreiben.

Dichtungen und Lager sind ebenso wichtig. Trockenlaufende Gasdichtungen begrenzen CO₂-Leckagen an der Welle. Einige Konstruktionen untersuchen Gaslager statt Öllager, um die Schmiersysteme zu vereinfachen und thermische Probleme zu vermeiden. Eine Studie zu einer Turbine der 25-Megawatt-Klasse ergab, dass die Anordnung des Ausgleichskolbens im Kühlgasabschnitt die Läuferlänge verkürzte, Leckagewege verringerte und mechanische Verluste senkte. Ein kompakterer Läufer verbessert die Stabilität und vereinfacht das Gehäuse. Bei einer weiteren Konstruktion wurden Öllager durch Gaslager ersetzt. Dadurch verkürzte sich die Welle weiter, und ein separates Kühl- und Schmiersystem wurde überflüssig. Solche Verbesserungen tragen zu höherem Wirkungsgrad und größerer Zuverlässigkeit bei.

Auch die Steuerung des Kreislaufs bei Last- und Betriebsänderungen ist Gegenstand aktueller Arbeiten. Kleine Demonstrationsanlagen haben gezeigt, dass Änderungen der Pumpendrehzahl, der Wärmezufuhr und der Last Druck und Durchfluss vorübergehend über das Ziel hinausschießen lassen können, bevor sich das System stabilisiert. Ingenieure ermitteln Kombinationen aus Massenstrom, Druckverhältnis und Drehzahl, um stabile Betriebsbereiche mit maximaler Leistung und höchstem Wirkungsgrad zu finden. Ein Test mit einem kleinen sCO2-Turbogenerator erreichte eine elektrische Leistung im zweistelligen Kilowattbereich und unter optimalen Bedingungen einen gemessenen Gesamtwirkungsgrad von knapp 59 Prozent. Das zeigt sowohl das Potenzial als auch den erforderlichen präzisen Regelungsaufwand.

Wärmetauscher, die Energie von verschmutzten Industrieabgasen auf einen sauberen CO₂-Kreislauf übertragen, müssen gegen Ablagerungen und thermische Belastungen beständig sein. Rekuperatoren im CO₂-Kreislauf benötigen kompakte Ausführungen mit großer Oberfläche, um Wärme zurückzugewinnen, ohne hohe Druckverluste zu verursachen. Kompressoren müssen nahe dem kritischen Punkt des CO₂ effizient arbeiten. Dort können schon geringe Temperaturänderungen die Dichte stark verändern und die Leistung beeinträchtigen, wenn die Steuerung nicht schnell reagiert.

Umwelt- und politische Bedeutung

China hat zugesagt, seine CO₂-Emissionen vor 2030 auf den Höchststand zu bringen und vor 2060 klimaneutral zu werden. Die Stromversorgung der Schwerindustrie sauberer zu machen, ist ein zentraler Bestandteil dieses Plans. Die Abwärmenutzung mit sCO2 hilft dabei auf zwei Arten: Sie verringert den Nettostrombezug des Werks aus fossil befeuerten Netzen und senkt den Wasserverbrauch an Standorten, an denen herkömmliche Dampfkreisläufe große Kühlwassermengen benötigen würden. Bei Kernkraft- und solarthermischen Projekten senkt ein höherer Wirkungsgrad unmittelbar die Kosten für sauberen Strom.

Einige Analysten verweisen auch auf mögliche Synergien mit der CO₂-Abscheidung. Grundsätzlich könnte abgeschiedenes CO₂ als Arbeitsmedium in den geschlossenen Kreislauf eingespeist und so ein Teil des Gases produktiv genutzt werden. Allerdings braucht ein Kraftwerkskreislauf sauberes, trockenes CO₂, um die Turbomaschinen zu schützen und Korrosion zu minimieren. Außerdem ist der Kreislauf geschlossen und verbraucht daher nicht kontinuierlich neues CO₂. Eine Verknüpfung mit der Abscheidung würde sich auf gemeinsame Schritte bei Handhabung, Speicherung und Reinigung konzentrieren, statt CO₂ als Einsatzstoff zu nutzen, der verbrannt oder umgewandelt wird.

Der neue Generator zeigt auch, wie sich Ressourcenengpässe bewältigen lassen. In trockenen Regionen mit knappen Kühlwasservorräten kann viel Wasser eingespart werden. Ein kompakter Kraftwerksblock könnte auf Schiffen oder an abgelegenen Industriestandorten Platz finden und die Energiesicherheit stärken, indem Wärme vor Ort in Strom umgewandelt wird.

Der weltweite Wettlauf und die nächsten Schritte

Teams in den USA, Europa und Asien arbeiten daran, die Zuverlässigkeit von sCO2-Komponenten und die Integration in Anlagen voranzubringen. Das texanische STEP-Projekt ging von der Inbetriebnahme einzelner Komponenten zu einem integrierten Betrieb über und erzeugte in seiner ersten Phase Strom. Das stärkt das Vertrauen, dass sich die Technologie skalieren und wiederholt einsetzen lässt. Die ans Netz angeschlossene Anlage in Guizhou ist die weltweit erste kommerzielle Installation in einem Industrieprozess. Sie wird Daten zum Dauerbetrieb, zu Wartungszyklen und zur Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung in der Stahlproduktion liefern.

Wenn sich die Leistungsversprechen im monatlichen und jährlichen Betrieb bestätigen, dürften weitere Anlagen in Stahl- und Zementwerken folgen. Solarthermische Projekte prüfen sCO2-Kraftwerksblöcke, um Turbinenhallen zu verkleinern und die Leistung zu steigern. Entwickler fortschrittlicher Reaktoren planen sCO2 als standardmäßiges System zur Stromerzeugung und setzen damit anstelle der großen Dampfanlagen auf kompakte Turbinen und Rekuperatoren. Auch mobile Kernkraftanlagen für abgelegene Standorte profitieren von kompakter Technik. Die hohe Dichte von CO₂ trägt dazu bei, die Turbinengröße bei gleicher Leistung gering zu halten.

Entscheidend wird auch die Lieferkette sein. Leistungsfähige Wärmetauscher, Trockenlauf-Gasdichtungen und Hochgeschwindigkeitsgeneratoren müssen von mehreren Anbietern verfügbar sein. Normen und Standards für Druckbehälter, Rohrleitungen und Dichtungen im CO₂-Betrieb müssen weiterentwickelt werden. Zur Markteinführung gehört auch, Anlagenpersonal für den sicheren Betrieb und die Fehlerdiagnose zu schulen. Regelmäßige Demonstrationsprojekte und die Vervielfältigung bewährter Anlagen können die Kosten senken und Betreiber davon überzeugen, die Technologie im großen Maßstab einzusetzen.

Das Wichtigste in Kürze

• China hat in einem Stahlwerk in Liupanshui in der Provinz Guizhou zwei Anlagen mit überkritischem CO₂ und einer Leistung von jeweils 15 Megawatt ans Netz angeschlossen.
• Das System nutzt Abwärme aus dem Sintern von Stahl zur Stromerzeugung. Bei der Umwandlung von Abwärme soll es dampfbasierten Anlagen zufolge mindestens 50 Prozent überlegen sein.
• sCO2-Kreisläufe arbeiten in einem geschlossenen System mit CO₂ oberhalb seines kritischen Punktes. Das ermöglicht kompakte Turbinen und einen höheren Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen.
• Der Kraftwerksblock benötigt wenig Wasser und lässt sich auf engem Raum unterbringen. Das eignet ihn für die Schwerindustrie, Schiffe und Energieanlagen an abgelegenen Standorten.
• Kernreaktoren der nächsten Generation und solarthermische Kraftwerke kommen besonders für sCO2-Kraftwerksblöcke infrage, da sie die dafür benötigten hohen Temperaturen liefern.
• Zu den zentralen technischen Aufgaben zählen langlebige Wärmetauscher, effiziente Kompressoren nahe dem kritischen Punkt sowie schnell laufende Turbinen mit robusten Dichtungen und Lagern.
• Eine US-Pilotanlage in Texas betrieb einen integrierten sCO2-Kraftwerksblock mit einer elektrischen Leistung von 10 Megawatt und erzeugte in ihrer ersten Phase Strom. Das zeigt Fortschritte auch außerhalb Chinas.
• Chinas Projekt liefert erstmals Daten aus dem kommerziellen Maßstab zur Stromerzeugung aus industrieller Abwärme mit sCO2.
• Wassereinsparungen und Wirkungsgradsteigerungen unterstützen Chinas Ziele, den Höchststand der CO₂-Emissionen zu erreichen und bis 2060 klimaneutral zu werden. Zugleich verbessern sie die Energienutzung in der Schwerindustrie.
• Die Ausweitung des Einsatzes hängt von der Lieferbereitschaft der Zulieferer, der Zuverlässigkeit im Betrieb und der Wirtschaftlichkeit der Umsetzung an mehreren Standorten ab.