Das Ende des Dampfzeitalters?
Seit fast zwei Jahrhunderten beruht die Stromerzeugung auf einem einfachen Prinzip, das sich seit der Industriellen Revolution nicht verändert hat: Wasser wird erhitzt, bis Dampf entsteht, dieser treibt eine Turbine an und erzeugt Strom. Die Rankine-Kreisprozess-Technologie kommt heute bei 80 Prozent der weltweiten Stromerzeugung zum Einsatz. Im Dezember 2025 durchbrach China diese Tradition mit der Inbetriebnahme von Chaotan One, dem weltweit ersten kommerziellen Stromgenerator mit überkritischem Kohlendioxid. Die Anlage auf einem Stahlwerk in Liupanshui in der Provinz Guizhou begann, industrielle Abwärme in Strom umzuwandeln. Dafür wird Kohlendioxid in einen überkritischen Zustand komprimiert. Die dabei erzielten Effizienzsteigerungen stellen die grundlegende Wirtschaftlichkeit der thermischen Stromerzeugung infrage.
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Das System besteht aus zwei Einheiten mit je 15 Megawatt und einer Gesamtleistung von 30 Megawatt, die an das Stromnetz des Eisen- und Stahlwerks Shougang Shuicheng angeschlossen sind. Die Anlage nutzt die Abwärme aus dem Sinterprozess, die zuvor in die Atmosphäre abgegeben wurde, und erzeugt jährlich mehr als 70 Millionen Kilowattstunden. Zugleich bringt sie dem Stahlwerk rund 30 Millionen Yuan (etwa 4,26 Millionen US-Dollar) zusätzliche Einnahmen. Noch bedeutsamer ist, dass die Technologie einen Weg eröffnet, bestehende Industrieanlagen nachzurüsten, statt neue zu bauen. Das ist ein entscheidender Vorteil angesichts der weltweit steigenden Stromnachfrage.
Wie überkritisches CO₂ alles verändert
Überkritisches CO₂ befindet sich in einem Zwischenzustand zwischen Flüssigkeit und Gas. Dieser entsteht, wenn das Fluid eine Temperatur von mehr als 31 Grad Celsius und einen Druck von über 73 Atmosphären erreicht, was einer Tiefe von 800 Metern unter der Meeresoberfläche entspricht. In diesem Zustand hat CO₂ die Dichte einer Flüssigkeit, behält aber die Fließeigenschaften eines Gases. Dadurch kann es Turbinen mit größerer Kraft und deutlich weniger Reibung als Dampf antreiben. Die Technologie ersetzt den herkömmlichen Rankine-Kreisprozess, der etwa 33 Prozent der Wärmeenergie in Strom umwandelt, durch einen Brayton-Kreisprozess, dessen theoretischer Wirkungsgrad bei mehr als 50 Prozent liegen kann.
Anders als Dampfsysteme arbeitet das sCO₂-System in einem vollständig geschlossenen Kreislauf. Das Arbeitsfluid wird kontinuierlich wiederverwendet, ohne an die Atmosphäre abgegeben zu werden. Zudem entfällt die wasserbasierte Kühlung. Dieser wasserlose Betrieb ist besonders wertvoll in trockenen Regionen, in denen herkömmliche Wärmekraftwerke nur eingeschränkt betrieben werden können. Die kompakte Bauweise verringert den Platzbedarf gegenüber vergleichbaren Dampfsystemen um 50 Prozent. Dank einer einfacheren Architektur sind außerdem weniger Zusatzkomponenten nötig, und das System kann schneller reagieren.
Huang Yanping, Chefentwickler am Kernkraftinstitut Chinas und leitender Konstrukteur von Chaotan One, veranschaulichte den thermodynamischen Vorteil mit einem treffenden Vergleich.
Es ist, als würde ein starker Mann ein mit Schmieröl überzogenes Fahrrad fahren und dadurch mühelos lange Strecken zurücklegen.
Der geschlossene Kreislauf hilft, zentrale Engpässe der modernen Energieinfrastruktur zu überwinden. Künstliche Intelligenz und fortschrittliche Fertigung lassen die Stromnachfrage rasant steigen. Allein die USA benötigen Schätzungen zufolge bis 2030 eine um 165 Prozent höhere Erzeugungskapazität, um Rechenzentren für KI zu versorgen. Daher wird die Möglichkeit, effiziente Stromerzeugung ohne Neubauten einzusetzen, strategisch immer wichtiger. Die Technologie gewinnt Energie aus Abwärmequellen mittlerer Temperatur, die bislang als unwirtschaftlich für die Stromerzeugung galten.
17 Jahre Entwicklungsarbeit
Die Inbetriebnahme von Chaotan One schließt ein Forschungsprogramm ab, das 2009 am Kernkraftinstitut Chinas unter dem Dach der China National Nuclear Corporation begann. Für die Entwicklung mussten grundlegende technische Hürden überwunden werden, die den internationalen Fortschritt seit dem ersten Vorschlag für das Konzept im Jahr 1948 gebremst hatten. Entscheidend war die Entwicklung von Mikrokanal-Wärmetauschern mit Kanälen von rund einem Millimeter Durchmesser, die für eine effiziente Wärmeübertragung bei überkritischem Druck erforderlich sind.
Der Herstellungsprozess erforderte neue Verfahren beim Vakuumdiffusionsschweißen. Dabei werden Metallplatten bei hoher Temperatur und hohem Druck verbunden, ohne sie zu schmelzen. Nachdem ausländische Anbieter den Export dieser Technologie verweigert und sie mit strengen Auflagen in die Liste der kontrollierten Güter aufgenommen hatten, forschte Huangs Team 829 Tage lang gezielt an dem Verfahren. Dabei testete es in 27 Optimierungsrunden 218 verschiedene Schweißparameter. Fehlgeschlagene Proben füllten eine halbe Lagerhalle, bevor der Durchbruch gelang. Die entscheidende Verbindung entstand bei einem Versuch am kalten Wintermorgen des Jahres 2021. Auf den Überwachungsbildschirmen im Labor bestätigten stabile grüne Kurven den Erfolg.
Eine weitere große Hürde war die Dichtungstechnik. Fachleute gingen davon aus, dass sCO₂-Turbinen im Megawattbereich wegen möglicher Lecks an den Hochdruck-Rotationswellen unmöglich seien. Ausländische Experten rieten Huang davon ab, Anlagen mit mehr als 100 Kilowatt Leistung zu entwickeln, und hielten Systeme im Megawattbereich für ein unmögliches Unterfangen. Das Team ließ sich nicht beirren, untersuchte verschiedene Dichtungstechniken und entwickelte speziell auf überkritisches CO₂ ausgelegte Trockengasdichtungen. Damit gelang erstmals weltweit der Einsatz einer Trockengasdichtung im Megawattbereich für sCO₂-Turbomaschinen.
Warum China den USA beim Netzanschluss zuvorkam
Während China am 20. Dezember 2025 den Netzanschluss feierte, testet die USA ähnliche Technologie weiterhin im Rahmen des Programms Supercritical Transformational Electric Power an den Sandia National Laboratories. Der amerikanische Ansatz setzt auf umfassende Tests im Labor, bevor eine Technologie kommerziell eingesetzt wird. Im April 2022 speiste Sandia mithilfe von sCO₂ 50 Minuten lang 10 Kilowatt ins Netz ein. Bis Oktober 2024 stieg die Leistung auf 4 Megawatt, synchronisiert mit dem Stromnetz. Die kommerzielle Einführung in den USA ist jedoch weiterhin für die Mitte der 2030er-Jahre vorgesehen.
Die unterschiedlichen Zeitpläne spiegeln verschiedene Innovationsansätze wider. Amerikanische Forschende legen Wert darauf, zunächst alle theoretischen Probleme zu lösen und das Langzeitverhalten der Materialien zu untersuchen. Dazu gehören umfangreiche Korrosionstests und die Prüfung geeigneter Legierungen. China verfolgt dagegen einen pragmatischen Ansatz, der im Land als „den Fluss überqueren, indem man nach den Steinen tastet“ beschrieben wird. Bei diesem Vorgehen wird zuerst gebaut; mögliche Probleme im Betrieb sollen anschließend durch schrittweise Verbesserungen behoben werden. Das ermöglichte eine schnelle Einführung, birgt aber Unsicherheiten hinsichtlich der langfristigen Zuverlässigkeit, die bei konservativeren Entwicklungsplänen möglichst ausgeschlossen werden sollen.
Das US-Energieministerium stufte die Stromerzeugung mit überkritischem CO₂ 2017 als strategische Zukunftstechnologie ein. Das MIT Technology Review zählte sie 2018 zu den zehn wichtigsten bahnbrechenden Technologien. Trotz dieser frühen Anerkennung haben regulatorische Vorsicht und der Schwerpunkt auf umfassender Risikominderung die kommerzielle Einführung in den USA verzögert.
Abwärme zu Einnahmen machen
Chaotan One setzt bei einem seit Langem bestehenden Engpass an: der Nutzung von Wärmequellen mittlerer Temperatur im kleinen und mittleren Maßstab. Herkömmliche Dampfsysteme sind für die Rückgewinnung von Abwärme unterhalb bestimmter Temperaturschwellen oft unwirtschaftlich. Dadurch bleibt viel Energie ungenutzt. Der verbesserte thermodynamische Wirkungsgrad des sCO₂-Kreislaufs erschließt Energie, die sonst verloren ginge, und bietet der Schwerindustrie einen praktikablen Weg zur Dekarbonisierung, ohne dass ganze Anlagen erneuert werden müssen.
Im Stahlwerk nutzt das System Restwärme aus dem Sinterprozess, bei dem Eisenerzfeinanteile erhitzt werden, bevor sie in den Hochofen gelangen. Diese Wärme ging zuvor verloren. Die Anlage zeigt, dass Generatoren mit überkritischem CO₂ einen um 85 Prozent höheren Wirkungsgrad und eine um 50 Prozent höhere Nettoleistung als herkömmliche Dampfsysteme zur Abwärmenutzung erreichen können und dabei nur halb so viel Platz benötigen.
Über den unmittelbaren wirtschaftlichen Nutzen hinaus unterstützt die Technologie Chinas Klimaziele, indem sie industrielle Abwärme in sauberen Strom umwandelt. Dass das System kein Wasser verbraucht, ist besonders im Südwesten Chinas von Vorteil, wo Wasserknappheit die industrielle Entwicklung häufig einschränkt. Anders als Dampfkraftwerke, die große Mengen Kühlwasser benötigen, funktioniert das geschlossene sCO₂-System auch in trockenen Regionen. Dadurch wächst die Zahl der Gebiete, in denen sich die Abwärmenutzung wirtschaftlich lohnt.
Zweifel an der Haltbarkeit und technische Risiken
Trotz des Erfolgs mahnen unabhängige Analysten, die anfänglichen Leistungswerte nicht unkritisch zu übernehmen. Michael Barnard, Analyst bei CleanTechnica, schätzt die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Leistung von Chaotan One innerhalb von zwei bis fünf Jahren messbar verschlechtert, auf 40 bis 70 Prozent. Grundlage dieser Einschätzung sind mehrere mögliche Ausfallmechanismen, die bei sCO₂-Systemen unter einem Druck von 200 Atmosphären und hohen Temperaturen zusammenwirken.
Präzisionswärmetauscher nutzen Diffusionsschweißen, um Mikrokanäle herzustellen, die extremem Druck standhalten. Werden die verbundenen Kontaktflächen beschädigt, ist eine Reparatur praktisch unmöglich; die gesamte Einheit muss ausgetauscht werden. Bei der Aufkohlung dringt unter überkritischen Bedingungen Kohlenstoff in Stahllegierungen ein. Das kann Materialien spröde machen und die Oberflächenrauheit in den Kanälen verändern. Dadurch steigt der Druckverlust und der Wirkungsgrad des Kreislaufs sinkt mit der Zeit. Der bei der Inbetriebnahme angegebene Effizienzvorteil von 85 Prozent würde dadurch allmählich schwinden.
Auch die Dichtheit ist eine Schwachstelle. Das CO₂-Molekül ist klein und beweglich wie Wasserstoff. Daher erfordert es perfekte Dichtungen an rotierenden Wellen und Flanschen, die thermischen und mechanischen Belastungswechseln ausgesetzt sind. Historische Daten von Wasserstofftankstellen, wo Dichtungsversagen für etwa 50 Prozent der Betriebsausfälle verantwortlich ist, legen nahe, dass eine über mehrere Jahre ununterbrochene, vollkommen dichte Betriebsweise womöglich zu optimistisch angenommen wird. Schon kleine Lecks verändern die Menge des Arbeitsfluids, bringen Kompressoren von ihrem optimalen Betriebspunkt ab und erhöhen den Eigenbedarf des Systems.
Verunreinigungen aus der Industrie verschärfen diese Risiken. Abgase aus Stahlwerken enthalten Partikel, Metalloxide und Schwefelverbindungen, die sich auf Wärmeübertragungsflächen ablagern und den Wirkungsgrad allmählich senken, ähnlich wie Kalkablagerungen. Barnard schätzt die Wahrscheinlichkeit eines durch Ablagerungen verursachten Leistungsverlusts in diesem industriellen Umfeld innerhalb von zwei bis fünf Jahren auf 60 bis 85 Prozent. Dadurch könnten die Turbineneintrittstemperaturen sinken, unabhängig davon, ob der interne CO₂-Kreislauf dicht bleibt.
Über Stahl hinaus: weitere Anwendungsfelder
Die China National Nuclear Corporation (CNNC) hat bereits Pläne angekündigt, die Technologie mit überkritischem CO₂ mit Energiespeichern auf Basis geschmolzener Salze zu kombinieren. Der Demonstrationsbetrieb soll 2028 beginnen. Der Hybridansatz soll die schwankende Einspeisung erneuerbarer Energien ausgleichen: Wärme wird in geschmolzenen Salzen gespeichert und bei hoher Nachfrage mithilfe des effizienten sCO₂-Kreislaufs in Strom umgewandelt. Das Projekt wurde in Chinas fünfte Runde bedeutender Energieanlagen der ersten Generation aufgenommen.
Auch die Eignung für solarthermische Kraftwerke bietet weiteres Wachstumspotenzial. Solaranlagen dieser Art erzeugen hohe Temperaturen, die sich für Brayton-Kreisläufe mit sCO₂ eignen. Dadurch könnten sie einen höheren Umwandlungswirkungsgrad erreichen als heutige Solarkraftwerke auf Dampfbasis. Auch die Kernkraft eröffnet Perspektiven: Die kompakte Turbomaschinentechnik bietet Vorteile für fortschrittliche Reaktorkonzepte, darunter kleine modulare Reaktoren und Hochtemperaturreaktoren mit Gaskühlung.
Huang Yanping sieht Anwendungsmöglichkeiten in der Energiespeicherung, der Abwärmenutzung und der industriellen Dampfversorgung. Die Entwicklung zielt gezielt auf Wärmequellen mittlerer Leistung, die sich bislang nur schwer effizient umwandeln ließen. Dadurch werden Märkte erschlossen, in denen Anlagen zur Stromerzeugung bisher unwirtschaftlich waren. Sollte sich die Technologie in den kommenden Jahren als langlebig erweisen, könnte sie die Wirtschaftlichkeit dezentraler Stromerzeugung und der Dekarbonisierung der Industrie weltweit grundlegend verändern.
Die wichtigsten Punkte
- Chaotan One, der weltweit erste kommerzielle Generator mit überkritischem CO₂, nahm im Dezember 2025 in der chinesischen Provinz Guizhou den Betrieb auf
- Die Anlage mit 30 Megawatt Leistung nutzt Abwärme aus einem Stahlwerk und arbeitet mit einem um 85 % höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Dampfsysteme
- Überkritisches CO₂ wird bei Temperaturen über 31 Grad Celsius und einem Druck von mehr als 73 Atmosphären eingesetzt und hat die Dichte einer Flüssigkeit sowie die Fließeigenschaften eines Gases
- Die Entwicklung dauerte 17 Jahre und erforderte Durchbrüche beim Vakuumdiffusionsschweißen und bei Trockengasdichtungen für Anlagen im Megawattbereich
- Das geschlossene System benötigt kein Kühlwasser und kann in bestehende Industrieanlagen integriert werden, ohne dass Neubauten nötig sind
- Analysten warnen, dass Schäden an Wärmetauschern, undichte Dichtungen und industrielle Verunreinigungen innerhalb von 2 bis 5 Jahren mit einer Wahrscheinlichkeit von 40 bis 70 % zu einem Leistungsrückgang führen könnten
- Die USA testen eine ähnliche Technologie weiterhin im Rahmen des STEP-Programms; die kommerzielle Einführung ist für die 2030er-Jahre geplant
- Zu den künftigen Anwendungen zählen die Kombination mit Energiespeichern auf Basis geschmolzener Salze, solarthermischen Kraftwerken und fortschrittlichen Kernreaktoren
