Forschung

In guten Händen

Gaskraftwerke sind flexibel und umweltfreundlich, besonders wenn sie mit sehr hohen Temperaturen betrieben werden können. Seit mehr als einem Vierteljahrhundert arbeitet der Physiker Werner Stamm daher an besonders temperaturfesten Werkstoffen für Turbinen.

Je heißer, desto effektiver die Verbrennung

Den Händen des promovierten Physikers Werner Stamm sieht man an, dass er ein Leben jenseits von Supraleitung und hochtemperaturfesten Legierungen haben muss. Groß und zupackend sehen sie aus. Und tatsächlich: Stamm, Sohn eines Schlossers, absolviert nach dem Realschulabschluss zunächst eine Ausbildung zum Feinmechaniker. Eines Tages soll »Stammi«, wie er von seinen Handballkameraden gerufen wird, den Betrieb seines Vaters übernehmen. Doch es kommt anders: Der Vater muss seine Schlosserei schließen, der eigentlich zum Nachfolger auserkorene Sohn holt das Abitur nach und studiert Physik in Duisburg. 

Im Kraftwerk Mainz-Wiesbaden besichtigt Werner Stamm eine Gasturbine, deren Entwicklung er unterstützt

Schon mit seiner Diplomarbeit spezialisiert sich Stamm auf extreme Temperaturen. Er untersucht das magnetische Verhalten von Legierungen, die ihre Längenausdehnung bei Temperaturschwankungen nicht verändern. Sie sind auch Gegenstand seiner Promotion im Jahr 1988, die er in einem Sonderforschungsbereich absolviert. Ausgerechnet aus dieser Zeit, als Stamm auch Supraleitungsphänomene bei Temperaturen von fast minus 270 Grad Celsius untersucht, stammen die ersten beruflichen Kontakte zu Siemens. Als er 1991 schließlich im Mülheimer Entwicklungszentrum des Elektrokonzerns beginnt, steigt auch das Temperaturniveau schlagartig: Seine Aufgabe besteht darin, Werkstoffe für Gasturbinen zu entwickeln und zu qualifizieren. Die Turbinenschaufeln direkt hinter der Brennkammer müssen damals Temperaturen von etwa 930 Grad Celsius ertragen.

Klar ist jedoch bereits, dass die Entwicklung zu immer höheren Temperaturen weitergehen würde. »Das ist der entscheidende Stellhebel, um den Wirkungsgrad einer Gasturbine zu verbessern«, erläutert Stamm. Heutige Turbinen erreichen Heißgastemperaturen bis ca. 1.500 Grad Celsius. Mit einem homogenen Werkstoff wäre diese Steigerung sehr schwierig oder gar nicht zu erreichen, zumindest wenn andere Faktoren wie Lebensdauer und Kosten zu berücksichtigen sind. Deshalb setzt Stamm auf Wärmedämmschichten, die auf den Grundwerkstoff der Turbinenschaufeln aufgebracht werden. »Das ist nicht meine Idee, daran forscht man seit 50 Jahren«, sagt Stamm. Allerdings entwickelt er eine Beschichtungstechnik zur Serienreife, die vielfach patentiert ist: Der Grundwerkstoff wird dabei mit zwei sehr dünnen Schichten überzogen. Die äußere Schicht besteht aus einer hoch temperaturfesten Keramik auf Basis von Gadoliniumzirkonat. Darunter sorgt eine Haftungsschicht für die Verbindung mit dem Grundwerkstoff. Sie erst ermöglicht die von den Kunden geforderte Lebensdauer von 25.000 Betriebsstunden. An der idealen Materialmischung tüftelt Stamm lange, schließlich findet er heraus, dass sich die Lebensdauer der Haftvermittlerschicht durch die Zugabe von bis zu zwei Prozent Rhenium, eines Elements der Mangan-Gruppe, deutlich verbessert. Dafür wird Stamm 2006 von Siemens mit dem Preis »Erfinder des Jahres« ausgezeichnet.

Die Stamm’schen Schutzschichten kommen auch bei der Turbine in Block vier des Gaskraftwerks Irsching zum Einsatz. Dieser Gas-und-Dampf-Kraftwerksblock steht wie kein anderer für das Spannungsfeld moderner Energiepolitik. Bei der Inbetriebnahme im Jahr 2011 hält er den Weltrekord in Sachen Wirkungsgrad: Mehr als 60 Prozent der im Erdgas enthaltenen Energie könnte in Strom verwandelt werden. Könnte, denn mittlerweile steht die Anlage nur noch als Reservekraftwerk. Wie nahezu alle anderen Gaskraftwerke in Deutschland wird es durch den zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien aus dem Markt gedrängt. Wenn Werner Stamm daran denkt, sagt er: »Das nimmt einen schon mit.«

Auch die Forschung leidet unter dem Stillstand der Gaskraftwerke. Zwar wären weitere Verbesserungen des Wirkungsgrades möglich, aber Stamm wird immer wieder die Frage gestellt: »Wofür der Aufwand?« Trotzdem zeigt er sich überzeugt, dass es sich langfristig lohnt, den Wirkungsgrad stationärer Gasturbinen weiter zu verbessern. »Wir bewegen uns allmählich auf ein Temperaturniveau von bis zu 1.600 Grad zu.« Außerdem würden Gaskraftwerke künftig viel häufiger in Teillastbereichen betrieben. Es gilt daher, den Wirkungsgrad nicht nur für einen bestimmten Lastpunkt, sondern über einen weiten Bereich zu optimieren. Auch für die Materialforschung sei ein solch flexibler Betrieb nicht ohne Herausforderungen. »Wir müssen künftig noch genauer untersuchen, wie sich Lastwechsel auf die Lebensdauer auswirken«, so Stamm.

Die Gemeinschaftsforschung innerhalb der FVV ist dabei für Werner Stamm nicht das einzige, aber ein sehr wichtiges Standbein. So begleitet er über die Jahre als Obmann mehrere Forschungsvorhaben, in denen thermomechanische Ermüdung untersucht wird. »Eigentlich bin ich da so reingerutscht«, erzählt Stamm. Sein erstes Vorhaben vor rund 25 Jahren besteht in einer Korrosionsuntersuchung, die an der TU Darmstadt durchgeführt wird. Mittlerweile ist Stamm aus Arbeitsgremien und Tagungen der FVV nicht mehr wegzudenken. Es sind aber nicht nur die fachlichen Inhalte, die Stamm an den Treffen schätzt, sondern auch die Art des Umgangs miteinander: »Man darf blöde Fragen stellen«, nennt Stamm dies. Gemeint sind grundsätzliche Fragen, ja das Infragestellen des bestehenden Wissens an sich. »So etwas bringt alle voran, denn die Physik ist ja für alle die gleiche.«

Gaskraftwerke müssen immer flexibler werden

Aus den Höhen der Physik steigt der Mülheimer gerne wieder herab, wenn er sich mit einstigen Handballkameraden, die ihn noch immer »Stammi« rufen, trifft. Aktiv spielen sie alle nicht mehr, aber die Verbundenheit ist geblieben. Und auch seine Liebe für das Handwerk ist geblieben: Kürzlich organisierte er eine Ausstellung für einen Nachbarn, dessen Hobby darin besteht, Sterling-Motoren – Hubkolbenmotoren mit äußerer Verbrennung – zu bauen. 

Bildquelle: FVV | Rui Camilo

Die Menschen hinter moderner Forschung

Dieser Artikel stammt aus dem Buch »MOTORENMENSCHEN«, das wir anlässlich des 60-jährigen Bestehens der FVV herausgegeben haben. Die Technikjournalisten Johannes Winterhagen und Laurin Paschek ermöglichen auf 200 Seiten technisch interessierten Laien einen Einblick in die Arbeit von Ingenieuren, die an sauberen Motoren und Turbomaschinen forschen. Das Buch kann in Deutsch und Englisch für 39,90 EUR über den VDMA-Verlag bezogen werden.

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Dr. Werner Stamm

Der heimatverbundene Werner Stamm ist in Mülheim an der Ruhr geboren. Nach der Realschule schloss er zunächst eine Lehre als Feinmechaniker ab. Nach Fachoberschule und Wehrdienst, den er in einem Fernmeldebataillon absolvierte, studierte Stamm Physik an der Universität Duisburg. 1988 promovierte Stamm mit einer Arbeit, die er am Labor für Tieftemperaturphysik der Universität Duisburg durchführte, gleichzeitig arbeitete er in einem Sonderforschungsbereich mit. Nach Zwischenstationen in Japan und Arbeiten auf dem Gebiet der Reinraumtechnik für ein Fraunhofer Institut begann er 1991 bei Siemens in der Gasturbinen-Entwicklung in Mülheim an der Ruhr. Dort ist Stamm noch heute als Entwicklungsingenieur tätig.

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