Így épül a világ leghatékonyabb hőerőműve

2014.07.31. 23:56

Düsseldorf határában egy olyan gázerőművet néztünk meg, amellyel három világrekordot készülnek megdönteni. Az erőmű árammal és meleg vízzel látja el a várost, besegít a német áramelosztónak kezelni a nap- és szélerőművek kilengéseit, és a város felől úgy néz ki, mint egy nagy zöld doboz.

„Nézzék, itt egy sávban megtörjük a szürke burkolatot, és több tíz méteres hosszban LED-csíkokat szerelünk be, amelyek este zölden fognak világítani” – mondja Andreas Senzel a hatalmas, dobozszerű épület előtt. A szürke-fekete fémburkolat mögött vastag hőszigetelés, a még nem elkészült ajtóknál keresztmetszetben látszik az acélváz. Düsseldorf ipari negyedében, a kikötő közelében állunk, légvonalban három kilométerre a belvárostól. Andreas Senzel viszont nem építész, hanem a Siemens gépészmérnöke, és nem a sokadik irodaház vagy lakóépületté átalakított raktár faláról beszél, hanem arról, hogyan néz ki majd 2016-tól a világ leghatékonyabb gáz-gőz erőműve.

Pontosabban kombinált ciklusú erőműről, angol rövidítéssel CCPP-ről van szó. Számos más németországi régióval szemben Düsseldorfban és vonzáskörzetében növekszik az 1,22 milliós lakosság. Emiatt nő az áramfogyasztás, új épületeket kell ellátni központi fűtéssel, és az erősen iparosodott környéken pedig folyamatos igény van a hőenergiára. Ezért határozta el a városi közszolgáltató, a 145 éve fennálló Stadtwerke Düsseldorf (SWD), hogy egy félig felszámolt szénerőmű helyén egy újat építtet a Lausward nevű kerületben, a Rajna kanyarulata képezte félszigeten. Az új erőművet a Siemens építi, kulcsrakészen adja át a megrendelőnek; a szerződés értéke hosszú távú szervizelési szolgáltatásokkal együtt nagyjából 500 millió euró.

A hőerőmű esti látványterveForrás: Kada Wittfeld Architektur GmbH

Gáz, gőz, hulladékhő

Ha már nem megújuló energiaforrásokat használunk, akkor a földgáz környezetbarátabb megoldás, mint a szén. A gázerőművek átlagosan félannyi szén-dioxidot bocsátanak ki, mint a szénerőművek, a nitrogén-oxid-szennyezés pedig kétharmadával kevesebb. (A Greenpeace energiaellátási reformterveiben is az szerepel, hogy a megújuló energiatermelés szélesebb körű elterjedéséig indokolt lenne gázerőművekkel kiváltani a szenet, még a földgáz magas világpiaci ára mellett is.)

A Stadtwerke a legtöbbet akarja kihozni a fűtőanyagból – indokolja egy céges hírlevélben a beruházást Rainer Tröger, a SWD vezető projektmenedzsere. Erre a lauswardi létesítményben meg is lesz a lehetőség. A kombinált ciklus azt jelenti, hogy a gázturbinából távozó, 625 fokos égéstermék hőjével gőzt termelnek, amelyet rávezetnek egy gőzturbinára. A két turbina a helytakarékosság miatt egy tengelyre szerelve hajtja meg a villamos áramot termelő generátort. Emellett a hulladékhőt is hasznosítják, a városi távfűtő hálózat számára állítanak elő belőle meleg vizet. Ezzel a megoldással három világrekordot készül megdönteni a Siemens és az SWD.

Hatékony áramtermelés

Az erőmű legfontosabb berendezése a Siemens nagy kapacitású, SGT5-8000H típusú gázturbinája. Teljesítménye akkora, mint huszonkét interkontinentális utasszállító repülőgép-hajtóműé, egyetlen turbinalapát teljesítménye pedig tizenegy Porsche 911 Turbo sportkocsiéval ér fel, a berendezés összsúlya akkora, mint egy teletankolt Airbus A380-as utasszállítóé. A gőzturbinával együtt (ami szintén Siemens-gyártmány, SST-5000) a düsseldorfi erőmű 595 megawatt áramot termel, aminél jelenleg nincs jobb a kombinált ciklusú erőművek között – ez körülbelül egymillió háromfős háztartás fogyasztását fedezi.

A tartóbakokra helyezik a gázturbinát az erőműbenForrás: Siemens AG/Rüdiger Nehmzow

A másik megcélzott rekord a 61 százalékos hatékonyság az elektromos áram előállítása terén. Ez azt jelenti, hogy a földgáz kémiai energiájának szinte kétharmada villamos energia formájában hasznosul.

A harmadik rekord a hulladékhő-hasznosítás. A tervek szerint Düsseldorf városa akár 300 MW hőenergiát nyerhet az erőműből – ezzel a kapacitás-kihasználtsággal dönti meg a 600 MW kombinált ciklusú erőművek rekordját. Amikor a hőtermelés eléri a maximum 300 MW értéket, a Rajna-parti erőmű tüzelőanyag-átalakításának hatékonysága 85 százalékra nő.

A lényeg, burkolat nélkül

„Az erőmű fő komponensei a helyén vannak, de még nincsenek befejezve a szerelési munkálatok. Most a legjobb megnézni a turbó berendezést a teljes komplexitásában, hiszen később, miután beburkolják hang- és hőszigeteléssel, már csak olyan lesz az élmény, mint amikor benéznek egy modern autó motorterébe” – magyarázza Andreas Senzel, az erőmű megvalósításáért felelős projektmenedzser.

Ha elkészül, a rengeteg kisebb-nagyobb cső miatt a SWD erőművének központi egysége úgy fog kinézni, mintha egy Alien-filmben látnánk. De itt még nem tartunk. Belépünk abba a csarnokba, ahol a két turbinát és a generátort szerelik, és felmegyünk húsz méter magasra, a daruk szintjére, és a megnyugtató távolságból bámuljuk, mi történik a több száz tonnás szerkezetek körül.

Szerelik a SGT5-8000H gázturbinát a Siemens berlini üzemében. A fehér színű turbinalapátok kerülnek közvetlenül az égéstér után, ezeknek kell kibírniuk a legnagyobb forróságotForrás: Siemens AG/Dietmar Gust

A gázturbina úgy működik, hogy a többszörösen szűrt levegőt a kompresszor gyűrű alakban elhelyezett lapátjai az égéstérbe nyomják, ahol a tüzelőanyaggal (a földgázzal) keveredik. A keveréket meggyújtva folyamatos égés jön létre, a rendkívül forró és nagyon kiterjedt füstgázok pedig a turbinalapátokat forgatják. Ez a lényeg – mondják kísérőim a gépekre mutogatva, hozzátéve, hogy a világ legnagyobb teljesítményű gázturbinája egyszersmind a világ legszebb dolga.

Problémák az energiafordulat miatt

Ezzel az értékeléssel persze lehet vitatkozni, de tény, hogy Németországnak nagy szüksége van az ilyen típusú erőművekre. Az országnak az utóbbi két-három évben egyre sűrűbben kell szembenéznie azzal a problémával, hogy időnként  a bőséges napsütés és az élénk szél miatt túl sok van a jóból, pontosabban fogalmazva az a gond, hogy néha-néha sok a megújuló energia, és az áramellátó rendszer ehhez képest nem kellően rugalmas.

A 2011-ben pártközi egyetértéssel elfogadott energiafordulat (Energiewende) szerint 2050-re a megtermelt energia 60 százalékának megújuló forrásból kell származnia, az atom- és szénerőműveket pedig sorra lekapcsolják. Jelenleg az ország 25 százaléknál tart, mert a megújulóenergia-törvényben biztosított támogatások miatt megérte napelemet szereltetni a háztetőre, és visszatáplálni a hálózatba a fölösleges áramot, valamint felfutott a szélenergia-termelés is. 2013-ban volt olyan nap, amikor megújuló forrásból 45 ezer MW-t termeltek, ami az aznapi össztermelés körülbelül felét tette ki.

A megújulók gyors terjedésével viszont sem az áramhálózat-fejlesztés, sem az energiahatékonyság fokozása nem tudott lépést tartani. A nap- és szélenergiával pedig az a gond, hogy a fölös áramot nincs hol tárolni.

Egy kombinált ciklusú hőerőmű működésének vázlata. A turbina (középen) levegőt szív be, és földgázt éget el. A kilépő égéstermék hőjét egy több tíz méter magas hőcserélő hasznosítja, amely gőzzé alakítja a belépő vizet (kék színnel jelölve). A gőz (pirossal jelölve) gőzturbinát hajt meg. A két turbina közé, ugyanarra a tengelyre szerelik be az áramot termelő generátortForrás: Siemens

A termelés-fogyasztás állandó egyensúlyát akkor is tartani kell, amikor nem süt a nap, és nem fúj a szél, emiatt viszont üzemben kell tartani a szennyező, de olcsó fűtőanyagot használó szénerőműveket, emiatt nemhogy csökken, hanem emelkedik az ország szén-dioxid-kibocsátása. Németországban számos gázerőmű csak évi 1000-2000 órán át üzemel, pedig legalább 3000 óra lenne a gazdaságos. Ez azért hátrány, mert a szénerőmű nemcsak jóval szennyezőbb, hanem rugalmatlanabb is, mint a gázerőmű: nem lehet csak úgy ki- és bekapcsolni.

Ezért lesz fontos szerepe a SWD düsseldorf-lauswardi erőművének – magyarázza tovább Andreas Senzel. A turbinák 40 perc alatt felpörgethetők ún. „parking position“-ből, azaz álló helyzetből a maximumterhelésig (ez a szénerőműveknél legalább két óra). A teljesítmény percenként 35 megawattal növelhető vagy csökkenthető a villamos rendszerirányító igényei szerint, vagyis az erőműnek olyan szerepe lehet, mint a csúcsidőszaki vízerőműveknek, amelyeknek turbináival csak akkor pörgetik fel a generátort, amikor a legnagyobb az áramfogyasztás (például késő délután-este).

A részterhelésen is magas hatásfokot többek között azzal érik el, hogy állíthatók a gázturbina levegőkompresszorának vezetőlapátjai. Így ugyan az égéstérben csökken az anyagáramlás, de a hőmérséklet ugyanaz marad, és a gázturbináknál hatékonysági szempontból ez a fontosabb – teszi hozzá Verle Viktor, a Siemens Zrt. energia-üzletágának vezetője.

Behelyezik a rotort a turbinaházbaForrás: Siemens AG/Dietmar Gust

Századmillimétereken múlik

A lauswardi telepen az a legérdekesebb élmény, hogy azt látjuk, hogyan kapcsolódik össze a csúcstechnológia a több évszázada létező egyedi szerelési eljárásokkal. A turbina alkatrészei tized- és századmilliméter pontossággal készülnek – például a kompresszorlapátok, csapágybakok és vezetőkoszorúk a Siemens Zrt. budapesti, Késmárk utcai gyárában –, másrészt a többtonnás részegységeket hasonló pontossággal kell összeszerelni.

Például a turbinát közrefogó ház esetében a fém érintkezik fémmel, a magas hőmérsékletek és az igénybevétel miatt nem lehet közéjük szigetelőréteget illeszteni, mert perceken belül átégne, és kisüvítene a forró gáz. Emiatt az alkatrészek felületeinek olyannyira találkozniuk kell, mintha egy acéltömbből maratták volna ki. Ezt a szerelési pontosságot viszont nem lehet automatizálni, kellenek az emberek, akik például egyenként beszerelik a lapátokat a rotorra, módszeresen követve, hogy a filccel felírt számozás stimmeljen, vagy meghúzzák az illesztőcsavarokat a turbinaházon.

Miért van szükség az óramű-pontosságú szerelésre?

Más megoldás egyszerűen nincs – válaszol Olaf König, a Siemens Energy Erőművi Gázturbinák Stratégiai Projektjeitől. Ha az üzemeltető rekordhatékonyságot akar elérni, akkor a turbinát az anyag fizikai tűrőképességének határán kell kihasználnia. Jó példa erre az a lapátkoszorú, amelyet közvetlenül az égéstér után szerelnek be. Ezek az alkatrészek kapják a legnagyobb hőterhelést: 1516 Celsius-fokot, ami alig marad el az acél olvadáspontjától, az 1538 foktól. A lapátokat vékony kerámiaréteggel és léghűtéssel gyártják – mondja König a cég berlini turbina-összeszerelő üzemében.

A lapátokban vékony csatornákban áramlik a levegő, és lézerrel kialakított, egyedi keresztmetszetű, apró lyukakon lép ki a lapát felszínére. Ekkora hőmérsékleten a levegő és a forró gáz körülbelül úgy áramlik egymás mellett, mint a sűrű méz a teában: a vékony légréteg és a kerámia akadályozza meg az olvadást. Ha viszont a hűtés akár egy másodpercre is leáll, akkor már baj van.

A kerámiaborítású turbinalapátok közelrőlForrás: Siemens AG/Dietmar Gust

A következő szint: 3D-nyomtatás

Tudják, minél nagyobb egy turbina, annál nagyobb a teljesítménye, viszont minél nagyobb tömegekről beszélünk, annál jelentősebb a centrifugális erő – teszi hozzá a szakértő. A turbinalapátok esetében a centrifugális erő az alkatrész tehetetlen tömegének tízezerszeresét is elérheti. A lapátok formájának megtervezésekor és kialakításakor pedig figyelembe kell venni azt is, hogy csúcsuk majdnem eléri a hangsebességet, vagyis a szakembereknek hasonló kihívásokkal kell szembenézniük, mint egy vadászgép szárnyprofiljának tervezésekor.

Most már világos, hogy miért kerül hosszú évek fejlesztésébe az, ha egy százalékot javítunk egy gázturbina hatékonyságán. De mi lehet a következő lépés?. „Lehetne más ötvözeteket alkalmazni, de nem a közeljövőben. Szerintünk a szofisztikáltabb hűtési rendszer az optimális megoldás – mondja Olaf König az Origo kérdésére. - Azt már tudjuk, hogyan kellene kinéznie egy még jobb, hatékonyabb hűtőrendszernek, de jelenleg a lézeres csúcstechnológiával sem lehetséges legyártani ilyet. A következő nagy lépés tehát a 3D-nyomtatás lehet, amivel rétegről rétegre haladva bonyolultabb hűtőcsatornákat lehet kialakítani a turbinalapát belsejében. Emellett az is lehetséges, hogy azok a lapátok is kapnak majd hűtést, amelyek távolabb esnek az égéstértől, tehát nem éri őket akkora hőterhelés.”

Forrás: www.zsofiapalyi.com/Pályi Zsófia
Turbinalapát-gyártás Budapesten, a Késmárk utcábanForrás: www.zsofiapalyi.com/Pályi Zsófia

Nagy zöld doboz

Andreas Senzel és a düsseldorf-lauswardi erőművön dolgozó többi mérnök érezhetően nagyon büszke a Rajna partján felépülő létesítményre. Arra is, hogy az új erőmű évente körülbelül 700 ezer metrikus tonnával kevesebb szén-dioxidot enged majd a levegőbe, mint egy átlagos áramtermelő hőerőmű, amivel 350 ezer, évi 15 ezer km-t futó kocsi szennyezését lehet megtakarítani, és arra is, hogy szerintük ez lesz Európa legszebb hőerőműve. A gyár külső megjelenését tervező építész, Gerhard Wittfeld ugyanis a 9 méter átmérőjű, 10 emelet magas kéményt egy acél-üveg dobozba zárta, ami zölden kivilágítva a folyón túlról úgy fog kinézni, mint egy kortárs művészeti alkotás, ráadásul az egyik szinten kilátót is berendeznek.

A környezetvédelem szempontjából az az érdekes ebben a beruházásban, hogy az erőmű a nem ideális jogszabályi helyzet ellenére jól illeszkedik a német energiapolitika hosszú távú terveibe. Tény, hogy az USA palagáz-forradalma miatt lement a szén világpiaci ára, tehát jelenleg olcsóbb szénerőművet üzemeltetni, ráadásul nincs valódi ára a szén-dioxid-kibocsátásnak. Az is tény, hogy Németország (és szinte egész Európa) az orosz földgázexporttól függ, és az is, hogy a földgáz tárolására végesek a kapacitásaink.

Viszont egy ilyen gázerőmű teljesítménye vetekszik egy atomerőművi blokkéval. Nem kell köré különleges  beton-acél védőépületet, úgynevezett konténmentet felhúzni, két év alatt megépül, és tizedannyiba kerül. Ha pedig majdan már végképp nem lesz szükség rá (mint a lauswardi helyszín régi szénerőművére), akkor legfeljebb lebontják, és mementónak megmarad a hatalmas, világító, zöld doboz a Rajna fölött.