Mehrfachdampfprozess

Die Hintereinanderschaltung von Dampfprozessen mit unterschiedlichen Arbeitsmitteln wird als Mehrfachdampfkraftprozess bezeichnet.

Bei Mehrfachdampfprozessen wird die bei der Verbrennung des eingesetzten Brennstoffs freigesetzte Wärme sukzessive von einem Dampfprozess zum anderen abgegeben bzw. genutzt.

Der im höchsten Temperaturbereich arbeitende Prozess nimmt die Verbrennungswärme des Kessels auf. Die Kondensationsabwärme dieses Prozesses dient zur Verdampfung des Arbeitsfluids des nachgeschalteten Prozesses.

Während im unteren Temperaturbereich der klassische Wasserdampfprozess eingesetzt wird, muss für den oberen Temperaturbereich ein Dampfkraftprozess mit einem Arbeitsmittel gewählt werden, das einen wesentlich niedrigeren Dampfdruck im Hochtemperaturbereich aufweist. Hierdurch kann die Werkstoffbeanspruchung infolge kleinerer Druckkräfte auch im höheren Temperaturbereich noch beherrscht werden.

Dieser dem Wasserdampfprozess vorgeschaltete Prozess wird oftmals auch als Topping Cycle bezeichnet. Die Auswahl der eingesetzten Arbeitsfluide ist dabei auf den jeweiligen Temperaturbereich zugeschnitten.

Der Betrieb z. B. eines Kalium-Topping Cycle erfolgt bei einer Temperatur von ca. 870 °C, die der Verdampfungstemperatur des Kaliums bei gut 2 bar entspricht. Für eine weitere Anhebung der Prozessdampftemperatur bieten sich Dreifach-Dampfprozesse an. Die obere Prozesstemperatur liegt z. B. bei einem Lithium-Kalium-Wasserdampfprozess bei 1.400 °C Durch das höhere Temperaturniveau der Mehrfachdampfprozesse werden höhere Wirkungsgrade gegenüber konventionellen Dampfprozessen ermöglicht. Die Herausforderung der Mehrfachdampfprozesse besteht im Wesentlichen in der Lösung materialtechnischer Probleme sowie in der Entwicklung von Kraftwerkskomponenten wie Dampferzeuger, Kondensator, Turbinen, Pumpen etc. für das jeweilige Arbeitsfluid.

Mehrfachdampfprozesse waren bereits Anfang des letzten Jahrhunderts in den USA Gegenstand umfangreicher Forschungsarbeiten. Sie konzentrierten sich im Wesentlichen auf Quecksilberdampfprozesse.

Insgesamt wurden weltweit sechs Quecksilberkraftwerke gebaut. Das letzte in den 50er-Jahren in den USA. Aufgrund der hohen Toxizität sowie der begrenzten Verfügbarkeit von Quecksilber wurde dieser Prozess nicht weiterverfolgt.

In Deutschland wurden Mehrfachdampfprozesse bis Ende der 80er-Jahre beforscht. Aufgrund des hohen technischen Entwicklungsrisikos sowie der deutlich höheren Kosten gegenüber konventionellen Dampfkraftwerken zogen sich die beteiligten Unternehmen zurück. Danach wurden die Forschungsarbeiten mit Beginn der 90er-Jahre weitestgehend eingestellt.