Südkorea: Breite Zusammenarbeit bei der Entwicklung der überkritischen Kohlenstoffdioxid-Technologie für die Stromerzeugung

Am 23. September 2022 haben fünf Vertragspartner eine Zusammenarbeitsvereinbarung «zur Stromerzeugung mit Hilfe einer Technologie mit überkritischem Kohlenstoffdioxid (CO₂)» unterzeichnet. Ziel ist es die Technologie zur Marktreife zu entwickeln und später auch zu exportieren. Die Technologie basiert auf einer Turbine, die nicht durch Wasserdampf, sondern mit überkritischem CO₂ angetrieben wird. Die Vertragspartner sind das Korea Atomic Energy Research Institute (Kaeri), Hanwha Power Systems Co., Ltd., Hyundai Engineering Co., Ltd., die Provinz Nord-Gyeongsang und die Stadt Gyeongju.

Die Vereinbarung ermögliche die Förderung der Technologieentwicklung der Stromerzeugung mit überkritischem CO₂ und die Schaffung der dazu notwendigen Infrastruktur, den Bau und Betrieb einer Testanlage sowie spezifische Entwicklungen für den Einsatz in Verbindung mit einem SMR. Die Unterzeichnung fand im Munmu Daewang Science Research Center statt. Dieses nationale Kernforschungszentrum liegt in der Stadt Gyeongju in der südkoreanischen Provinz Nord-Gyeongsang. Es steht seit 2021 in Bau, soll 2025 eröffnet werden und dann das einzige SMR-Forschungsinstitut des Landes beherbergen.

«Überkritisches CO₂, das sowohl flüssige als auch gasförmige Eigenschaften hat, kann im Vergleich zur wasserdampfbasierten Stromerzeugung in einem sehr kleinen System hocheffizient Strom erzeugen», hiess es in der Medienmitteilung. Daher eigne sich ein darauf basierendes Stromerzeugungssystem ideal für SMR und werde «neue Horizonte in der Kerntechnik öffnen». Grundsätzlich könne die Wärme zur Erhitzung des CO₂ aber aus verschiedenen Quellen stammen, beispielsweise aus dem Anlagenteil eines Sonnenwärmekraftwerks oder thermischen Kraftwerks.

Nak-young Joo, der Bürgermeister von Gyeongju sagte bei der Unterzeichnungszeremonie: «Das überkritische CO₂-Stromerzeugungssystem ist eine Energietechnologie, die zusammen mit innovativen Kernreaktoren wie dem SMR durch ihre Umweltfreundlichkeit und hohe Effizienz den zukünftigen Energiemarkt anführen kann. Ich freue mich sehr, die Technologieentwicklung in Gyeongju zu fördern, und gehe davon aus, dass wir durch das Schaffen eines Nuklearindustrie-Clusters in Zukunft einen grossen Beitrag zur Entwicklung der nationalen Industrie leisten werden.»

So funktioniert das neuartige System
Beim Stromerzeugungssystem, das zur Marktreife entwickelt werden soll, kommt überkritisches CO₂ als Arbeitsmedium zum Einsatz, das unter hohem Druck steht, erhitzt wird und eine Turbine antreibt. Aktuelle thermische Kraftwerke setzen noch auf Wasser als Arbeitsmedium und einen geschlossenen Wasser-Dampf-Kreislauf, bei dem Wasserdampf die Turbine antreibt. Beschreiben lassen sich die physikalischen Prozesse in einem Dampfkraftwerk mit dem Clausius-Rankine-Kreisprozess. Bei der Rückumwandlung von Dampf in Wasser (Phasenübergang) geht so viel Energie verloren, dass höchstens ein Drittel der im Dampf enthaltenen Energie in Strom umgewandelt werden kann – dies, gemäss den Sandia National Laboratories, die in den USA ebenfalls an der CO₂-Technologie arbeiten.

Bei überkritischem CO₂ gibt es diese Rückumwandlung im Gasturbinenprozess aber nicht (siehe Joule- oder Brayton-Kreisprozess). Zudem könne CO₂ auf 700 °C erhitzt und somit heisser werden als Wasserdampf, wodurch ein theoretischer Wirkungsgrad von über 50% resultiere, so Sandia. Die Umgebungsbedingungen würden allerdings hohe Anforderungen an die Anlagenkomponenten und verwendeten Materialien stellen. Eine Übersicht über die Technologie gibt es hier.