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Risiko Energiewende

Die Umstellung auf Erneuerbare Energien bringt Dampfturbinen konventioneller Kraftwerke an die Grenzen ihrer Belastbarkeit – eine Herausforderung für Hersteller, Betreiber und Versicherer. 

Unsere Autoren, Experten in der Untersuchung und Regulierung von Kraftwerksschäden, machen auf die erhöhten Risiken aufmerksam und plädieren für eine auf die neuen Bedingungen angepasste Schadenvorsorge.

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Im Mittelpunkt der aktuellen Diskussion zur Energiewende stehen vor allem die Themen Netzausbau, Speichertechnologien oder Offshore Wind. Weniger beachtet, aber ebenso bedeutsam sind die Konsequenzen der Förderung von Erneuerbaren Energien für den konventionellen Kraftwerkspark.

Die Energiewende hat die Landschaft der Stromerzeugung grundlegend verändert

Das Tōhoku-Erdbeben im Jahr 2011 und insbesondere der nachfolgende Tsunami forderten über 15.000 Todesopfer und führte zur Nuklearkatastrophe von Fukushima. Der daraufhin von der Bundesregierung gefasste Beschluss, den Atomausstieg in Deutschland zu beschleunigen, forcierte die bereits angelaufene Energiewende. Getrieben durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz hat sich die Strom-Erzeugungslandschaft in Deutschland innerhalb der letzten Jahre grundlegend verändert.

Am 18. April 2013 mittags wurde erstmalig mehr Strom aus Erneuerbaren Energien als aus konventioneller und Nuklearenergie in das Stromnetz gespeist. Ende 2013 stand in Deutschland über die Erneuerbaren eine Gesamtleistung von ca. 78 GW bereit. Davon machten Wind- und Solarenergie 83% zu gleichen Teilen aus.

Verfügbar ist diese Leistung allerdings nur während der Mittagszeit - und sie ist stark witterungsabhängig. Im Winter beträgt der maximale Leistungsbedarf des deutschen Netzes ca. 82 GW. An windstillen Wintertagen (schneebedeckte Solarzellen, ggf. abgeschaltete Wasserkraftwerke wegen zugefrorener Flüsse) müssen die thermischen Kraftwerke diese Leistung alleine erzeugen können - so wie vor der Energiewende.

Abb. 1: Brutto Stromerzeugung nach Energieträgern 2013  Quelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW): Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken (Graphik: BDEW 2014)


Das aktuelle Marktumfeld ist geprägt durch einen gesicherten Strompreis für die Erneuerbaren mit Einspeisevorrang und -vergütung einerseits und ein niedriges Preisniveau für die thermischen Kraftwerke an den Strombörsen andererseits. Die konventionelle Stromproduktion wird zunehmend unwirtschaftlich - zugleich bleibt sie unerlässlich für die Kompensation der stark schwankenden Energieleistungen der Erneuerbaren Energiequellen.

Wie sich die Tagesproduktion von konventioneller, Wind- und Solarenergie - je nach Wetterlage - zusammensetzt, lässt sich tagesaktuell hier verfolgen: Transparency in Energy Markets

Herausforderungen an thermische Kraftwerke infolge der Energiewende

Die Grundlastversorgung hat sich von der Kernkraft auf die Braunkohle verschoben. Steinkohlekraftwerke werden zunehmend auch zur Produktion von Mittel- bis Spitzenlast eingesetzt. Die Mittagsspitze bei der Solarenergie führt zum typischen „Kamelhöcker“ der Steinkohle, die an Sonnentagen um die Mittagszeit stark zurückregelt.

Bild 2: Änderung der Fahrweise eines Kohlekraftwerkes (Quelle: AGCS)

Dieser flexible Betrieb zum Ausgleich der Erneuerbaren bringt eine zusätzliche Belastung der Dampfturbosätze in thermischen Kraftwerken mit sich (s. Bild 2):

  • Abgesenkte Niedrig- und Mindestlasten (früher 25% der Nennlast, heute ca. 10%)
  • Zunehmende Betriebszeiten im Schwachlastbereich
  • Höhere Startzahlen
  • Schärfere Lastgradienten
  • Mehr Stillstände, diese oft von längerer Dauer

Zudem ist das durchschnittliche Steinkohlekraftwerk in Deutschland etwa 35 Jahre alt. Es muss sich in einem Kostensparumfeld mit reduzierten Maintenance-Budgets und gleichzeitig verlängerten Maintenance-Perioden behaupten können.

Aus unserer Schadenerfahrung wissen wir, dass sich Schäden an Dampfturbinen nach langer Betriebszeit insbesondere dann häufen, wenn die Betriebsbedingungen geändert werden. Die Energiewende hat also einen unmittelbaren Einfluss auf die Risikosituation der Kraftwerksturbinen, die eine Schlüsselkomponente im Bestand der Betreiber und Hersteller von Kraftwerksanlagen darstellen. Denn aktuell wird noch etwa 2/3 der erzeugten Strommenge in thermischen Kraftwerken mit Dampfturbinenkreislauf produziert.


Daten zur Dampfturbine

Seit der Erfindung der Dampfturbine durch den Franzosen Laval im Jahr 1883 hat sich am Grundprinzip wenig, an den Leistungsdaten jedoch viel geändert. Die größten Turbinen haben heute eine Leistung von 1650 MW, sie sind 65 Meter lang, ein Rotor wiegt 300 Tonnen. Ein großer Kernkraftwerksturbosatz (z.B. Isar II) reicht aus, um den Großraum München mit Elektrizität zu versorgen.

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Abb. 3 Inspektion einer Kraftwerks-Dampfturbine (Bild: AGCS)

Turbinen im Steinkohlekraftwerk arbeiten heute mit ultra-superkritischen Dampfparametern im Bereich 620°C Dampftemperatur und 300 bar Druck am Dampfeintritt. Es werden hochlegierte Werkstoffe und Titan zur Verringerung der Materialspannungen und zur Verbesserung der Design-Lebensdauer verwendet. Doch auch diese hochentwickelten Maschinen wurden noch vor der Energiewende gebaut, sie sind in der Regel nicht für die neuen Anforderungen konzipiert.

Drohende Schadenszenarien für Dampfturbinen

Aus unserer Schadenabteilung und dem Allianz Zentrum für Technik kennen wir die Folgen geänderter Betriebsweisen anhand einer Vielzahl von Beispielen.

Reduzierte Mindestlasten, erhöhte Maximallasten und verschärfte Lastwechsel können zu einer ganzen Reihe von Schadenszenarien an kritischen Bauteilen führen, s. Bild 4.

Versicherungstechnische Aspekte

Im Allgemeinen sind in der Maschinenversicherung Schäden durch den dauernden Einfluss des Betriebes vom Versicherungsschutz ausgeschlossen. Wie oben ausgeführt birgt jedoch, infolge der Energiewende, der veränderte Betrieb der Kraftwerke neue Gefahren.

Weiterhin müssen wir uns als Versicherer mit den Folgeschäden aus einem gegebenenfalls ausgeschlossenen Verschleißschaden beschäftigen. Diese veränderte Risikosituation führt zur Überlegung, an dieser Stelle genauer hinzuschauen und den Versicherungsschutz für unsere Kunden im Einzelfall an die geänderte Situation anzupassen bzw. das Risikomanagement hier gezielt zu verbessern.

Bild 4: Übersicht zu Schadenszenarien für Dampfturbinen infolge der Energiewende (Quelle: AGCS)


Erhöhtes Risiko bedarf adäquater Vorsorge

Das Risiko für den Dampfturbinenbetrieb ist heute potentiell durch folgende Faktoren erhöht:

  • Erweiterte Lastbereiche und größere Flexibilität
  • Hohes Alter des Kraftwerkparks
  • Ursprüngliches Design als Grund- und Mittellastmaschinen
  • Kostensparzwänge und entsprechend reduzierte Instandhaltungsbudgets

Betreiber und Hersteller in Deutschland haben bereits damit begonnen, ihre thermischen Kraftwerksanlagen mitsamt Dampfturbinen auf die neuen Herausforderungen einzustellen. Ziel dieser Programme ist die Herstellung einer Risiko-Balance, so wie sie vor der Energiewende bestand.

Die Schaden- und Risikoingenieure der AGCS und die Gutachter des Allianz Zentrums für Technik können bei der Anpassung auf die geänderten Anforderungen nach individuellem Bedarf unterstützen. Vor dem Hintergrund langjähriger Erfahrung und interdisziplinärer Zusammenarbeit bieten sie:

  • Objektive technische Beratung
  • Maßgeschneiderte Risikoanalysen und Risikoinspektionen
  • Schadenursachenanalyse, Empfehlungen zur Schadenverhütung, Gutachten

Die Herausforderungen der Energiewende für die konventionelle Kraftwerkstechnik betrifft deren Hersteller, Betreiber und Versicherer. Gemeinsam sollte versucht werden, die neuen Risiken in Grenzen zu halten. 

Eine Präsentation mit weiteren Informationen zu diesem Thema finden Sie hier.  

Unsere Experten

Dr.-Ing. Martin Eckel ist Head of Complex Claims bei AGCS in Deutschland und mit seinem Team zuständig für die Schadenregulierung im Bereich Engineering.

e-Mail: martin.eckel@allianz.com

Dipl.-Ing. Stefan Thumm war bei einem Kraftwerkshersteller tätig, bevor er im Jahr 2000 zur Allianz kam; er gehört zur Leitung des Allianz Zentrums für Technik, wo er unter anderem  Schäden an Turbomaschinen untersucht.

e-Mail: stefan.thumm@allianz.com