FZJ-Forscher feilen am Stahl der Zukunft

Von: Marvin Bergs
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Ermüdungsversuch für die HiperFer-Stahlprobe: So soll der Start-Stop-Betrieb in einem Kraftwerk simuliert werden. Ziel ist die Ermittlung der Lebensdauer bis zum so genannten technischen Anriss. Foto: FZ Jülich
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Bernd Kuhn leitet die Gruppe von Wissenschaftlern, die im Forschungszentrum am Stahl der Zukunft arbeitet. Foto: Bergs

Jülich. Die Technologie für das Material der Zukunft in Dampfkraftwerken kommt vielleicht aus Jülich. Ein Team von Werkstoffwissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich (FZJ) wurde Mitte Juli in London für die Entwicklung eines neuartigen Stahls mit dem renommierten Charles Hatchett Award ausgezeichnet.

Die Forscher vom Institut für Energie- und Klimaforschung unter der Leitung von Dr.-Ing. Bernd Kuhn gehen mit den als HiperFer bezeichneten Stählen ganz neue Wege, denn bisher wurde die Werkstoffklasse der hierfür verwendeten Legierungen noch nie für Bauteile in Kraftwerken eingesetzt.

Es handelt sich um die Kategorie der „rostfreien ferritischen Stähle“. Charakteristisch für diese ist der relativ hohe Chromanteil, aus dem gewöhnlich ein guter Schutz gegen Korrosion bei hohen Temperaturen resultiert. Derartige Werkstoffe verfügen meist nur über vergleichsweise geringe mechanische Festigkeit. Diesen Nachteil konnten die Jülicher Wissenschaftler ausgleichen, indem sie anderer Elemente – in erster Linie Niob und Wolfram – in den Stahl eingebracht haben.

Dadurch wird bei hohen Temperaturen die Verformung des Stahls behindert, so dass höhere Betriebstemperaturen als die mit den heutigen Stahlsorten üblichen 620 Grad Celsius möglich sind. „Und nur mit höheren Temperaturen und Drücken lässt sich auch der Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks erhöhen“, sagt Bernd Kuhn.

Der 40-Jährige promovierte 2008 am Forschungszentrum Jülich und leitet heute das Fachgebiet metallische Werkstoffe und Fügetechnik. Neben der potenziell verbesserten Leistung durch den Einsatz der neuen Stähle steht noch ein anderer Aspekt im Fokus: Im Zuge der Energiewende müssen die konventionellen Kraftwerke immer häufiger gedrosselt oder abgeschaltet werden, wenn viel Strom aus regenerativen Energien ins Netz eingespeist wird.

Weniger Anfällig

Da die heutigen Dampfkraftwerke und die verwendeten Materialien jedoch ursprünglich für den Dauerlastbetrieb entwickelt wurden, könnten sich daraus Probleme ergeben, die häufige und damit teure Wartungen nötig machen. „In der Vergangenheit wurden die Anlagen möglichst langsam an- und wieder heruntergefahren, doch mittlerweile kann man fast von einem Start-Stopp-Betrieb sprechen“, weiß Kuhn.

Die im FZJ entwickelten Stähle könnten zur Lösung dieser Problematik beitragen: Sie sind weniger anfällig für die häufig wechselnden Temperatur- und Druckbelastungen als die bisher verwendeten Werkstoffe. Auch die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen im Stillstand ist von Bedeutung. Stehen die Kraftwerke häufiger und länger still, greift das Wasser, das in den Anlagen stehen bleibt, die Kessel aus konventionellen Materialien stark an.

100.000 Teststunden

Trotz der vielversprechenden Versuchsergebnisse mit den HiperFer-Stählen wird es noch mindestens zehn Jahre dauern, bis diese als Material für Kraftwerksbauteile auf den Markt kommen können.

Zum einen müssen Werkstoffe für diesen Einsatzzweck 100 000 Stunden im Dauertest überstehen, was etwa zwölf Jahren entspricht. Der Jülicher Stahl hat davon zwar bereits rund die Hälfte geschafft, doch für die Weiterentwicklung der Versuchsstähle hin zu Bauteilen, die den im Kraftwerksbetrieb nötigen Dimensionen entsprechen, braucht es Partner aus der Industrie. „Das können wir selbst in unserer Kooperation mit der RWTH Aachen nicht leisten“, sagt Kuhn.

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