EviProd - Datenevidentes thermisches Beschichten hochbeanspruchter Komponenten von Gasturbinen für die alternative Energieproduktion

Abstract

Die Transformation des Energiesektors hin zu einer zunehmend klimaneutralen Stromerzeugung erfordert hochflexible Kraftwerkslösungen, um wetterbedingte Schwankungen aus Photovoltaik und Windkraft im Stromnetz dynamisch auszugleichen. Stationäre Gasturbinen stellen hierfür eine tragende Säule der Netzstabilität dar, müssen jedoch zunehmend für den flexiblen Betrieb mit regenerativen Brennstoffen wie Wasserstoff, Biogas und Synthesegasen ertüchtigt werden. Diese Energieträger bedingen drastisch verschärfte Anforderungen an die Heißgaskomponenten und deren Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings, TBC), insbesondere im Hinblick auf Schadenstoleranz bei raschem Wechsellastbetrieb und Beständigkeit gegen Verbrennungsrückstände. Zur Erzielung wirtschaftlicher Standzeiten und zur Verlängerung der Wartungsintervalle ist daher eine signifikant gesteigerte Schichtgüte innerhalb engster Spezifikationskorridore unabdingbar. In der industriellen Fertigung unterliegen konventionelle Einanoden-Einkathoden-Spritzbrenner einer unvermeidbaren Parameterdrift infolge von Elektroden- und Düsenverschleiß. Moderne Multipaar-Elektroden-Systeme (MPE) bieten zwar plasmaphysikalisch ein enormes Potenzial hinsichtlich Plasmastabilität, reduzierter thermischer Belastung und hoher Auftragsraten, wiesen jedoch zu Projektbeginn keine praxistauglichen Schnittstellen und Methoden zur zeitaufgelösten Messung und individuellen Regelung der gekoppelten Einzellichtbögen auf. Ein geschlossener, datenevidenter Regelkreis auf Basis maschinellen Lernens war im Stand der Technik nicht verfügbar. Das Vorhaben wurde in einem schlagkräftigen Verbund durchgeführt, der die gesamte Wertschöpfungskette abbildete. Die Siemens AG brachte ihre Expertise in der Digitalisierung, der Systemarchitektur und Machine-Learning-Algorithmen (Insights Hub) sowie Vorarbeiten zur Prozessüberwachung ein. Die GTV Verschleißschutz GmbH verfügte über umfassendes Knowhow im anlagentechnischen Sondermaschinenbau und der MPE-Brennertechnik (GTV-Delta-System). Die Siemens Energy Global GmbH & Co. KG lieferte das anwendungsbezogene Serien- und Spezifikationswissen für hochbelastete Turbinenschaufeln sowie das industrielle Prüfumfeld. Das Fachgebiet Beschichtungstechnik der Technischen Universität Berlin steuerte modernste Prüf- und Beschichtungseinrichtungen sowie langjährige Erfahrung in der experimentellen Plasmadiagnostik, DoE-Methodik und Schichtcharakterisierung bei.