China startete den ersten Rivalen von Dampf seit 140 Jahren

Wichtige Erkenntnisse

• Der 140-jährige König hat einen Herausforderer: Seit 1884 treiben Dampfturbinen 80 % des weltweiten Stroms an. China hat gerade die erste kommerzielle Maschine in Betrieb genommen, die sie ersetzen soll.
• 10x kleiner, 10 % effizienter: Turbinen mit überkritischem CO₂ (sCO₂) erreichen einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 50 % in einem Paket, das ein Zehntel so groß ist wie ein entsprechendes Dampfsystem.
• Die USA haben es erfunden. China hat es zuerst gebaut.: Das Energieministerium hat Jahrzehnte und 169 Millionen US-Dollar in die sCO₂-Forschung investiert. Chinas CNNC hat eine 30-Megawatt-Werbeanlage ans Netz angeschlossen, während die amerikanische Pilotanlage noch ihre ersten 4 Megawatt erzeugte.
• Die militärische Wildcard: Eine Turbine, die zehnmal kleiner als eine Dampfturbine ist, ist nicht nur ein industrielles Werkzeug. Es handelt sich um eine U-Boot-, Flugzeugträger- und Schiffsantriebstechnologie, an der China bereits forscht.

Die Maschine, die die Welt regiert

Die Dampferzeugung erzeugt 80 % des weltweiten Stroms. Lesen Sie das noch einmal. Vier von fünf Watt, die für die Beleuchtung von Häusern, den Betrieb von Fabriken und das Aufladen von Telefonen benötigt werden, stammen von einer grundlegenden Technologie, die sich im Prinzip nicht verändert hat, seit Charles Parsons 1884 seine erste mehrstufige Reaktionsturbine an einen Dynamo anschraubte.

Die ursprüngliche Maschine von Parsons erzeugte 7,5 Kilowatt. Seine modernen Nachkommen leisten 50.000 Kilowatt und mehr. Aber die zugrunde liegende Physik (Wasser kochen, Klingen drehen, kondensieren, wiederholen) bleibt grundsätzlich identisch. Der Rankine-Zyklus, wie Ingenieure ihn nennen, ist seit 142 Jahren der unangefochtene Champion der thermischen Energieumwandlung. Kernkraftwerke nutzen es. Es wird in Gas-Kombikraftwerken eingesetzt. Kohlekraftwerke nutzen es. Konzentrierte Solaranlagen nutzen es. Geothermische Anlagen nutzen es.

Am 20. Dezember 2025 ging in einer Stahlfabrik in Liupanshui, Provinz Guizhou, China, eine Maschine namens Chaotan One ans Netz. Es bringt kein Wasser zum Kochen. Es wird kein Dampf verwendet. Es komprimiert Kohlendioxid über seinen kritischen Punkt (31 °C und 7,37 Megapascal) hinaus zu einem überkritischen Fluid, das weder Gas noch Flüssigkeit ist, und lässt es durch einen geschlossenen Brayton-Kreislauf laufen, um aus der Abwärme des Stahlwerks Strom zu erzeugen.

Es ist der weltweit erste kommerzielle Stromgenerator mit überkritischem CO₂. Seine Kernturbomaschinen sind nur einen Bruchteil der Größe der Dampfsysteme im Kathedralenmaßstab groß, die sie ersetzen sollen.

Die Physik: Warum CO₂ Dampf schlägt

Der Vorteil von überkritischem Kohlendioxid (sCO₂) gegenüber Dampf liegt in der Dichte und Kompressibilität.

Wenn CO₂ über seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck gehalten wird, verhält es sich wie eine Flüssigkeit mit der Dichte einer Flüssigkeit, aber den Fließeigenschaften eines Gases. Kleine Temperatur- und Druckänderungen führen zu großen Änderungen der Energiedichte. Das praktische Ergebnis ist, dass eine sCO₂-Turbine mehr Energie pro Flüssigkeitseinheit entzieht als eine Dampfturbine und dafür deutlich weniger Ausrüstung benötigt.

Jeff Moore, ein Ingenieur am Southwest Research Institute (SwRI) in San Antonio, brachte es auf den Punkt: Die gesamte sCO₂-Turbine ist „ungefähr ein Zehntel der Größe einer Anlage, die die gleiche Strommenge produziert.“ Eine Dampfturbine benötigt typischerweise 10 bis 15 Rotorstufen. Eine sCO₂-Turbine benötigt vier.

Richard Dennis vom National Energy Technology Laboratory (NETL) beschrieb einen Prototyp einer Turbinenrotorwelle: „4 Zoll im Durchmesser, 4 Fuß lang und könnte 1.000 Haushalte mit Strom versorgen.“

Die Effizienzgewinne sind erheblich, aber nicht magisch. Die Tests von SwRI zeigen, dass sCO₂-Zyklen etwa 10 % effizienter sind als herkömmliche Dampfkraftwerke und einen thermischen Wirkungsgrad von nahezu 50 % erreichen. Zum Vergleich: Die meisten herkömmlichen Dampfturbinen arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 35–40 %. Die Verbesserung ist auf die thermischen Eigenschaften des Brayton-Zyklus zurückzuführen, der nahe dem kritischen Punkt verläuft, wo die Kompressorarbeit stark abnimmt, weil überkritisches CO₂ so dicht ist, dass für die Komprimierung weitaus weniger Energie benötigt wird als für Dampf.

Auch das Arbeitsmedium selbst ist praktischer. CO₂ ist billig, ungiftig, leicht verfügbar und weniger korrosiv als Hochtemperaturdampf. Die Umwandlung von CO₂ in seinen überkritischen Zustand erfordert weniger Energie als die Umwandlung von Wasser in Dampf.

$\eta_{\text{Brayton}} = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}} \quad \text{vs.} \quad \eta_{\text{Rankine}} \approx 35\text{-}40\%$

Der ideale Wirkungsgrad des Brayton-Zyklus hängt vom Druckverhältnis ($r_p$) und dem Wärmekapazitätsverhältnis ($\gamma$) des Arbeitsmediums ab. In der Nähe des kritischen Punktes reduziert die Dichte des CO₂ die Kompressorarbeit drastisch und treibt die reale Zykluseffizienz auf 50 %. Echte sCO₂-Anlagen fügen Rekuperatoren zur Rückgewinnung der Abgaswärme und Rekompressionsstufen hinzu, um Verluste zu minimieren, aber die Richtung ist klar: mehr Energie raus, weniger Ausrüstung rein, kleinerer Platzbedarf am Boden.

Chaotan One: Was China tatsächlich gebaut hat

Das Nuclear Power Institute of China (NPIC), eine Tochtergesellschaft der China National Nuclear Corporation (CNNC), hat mehr als ein Jahrzehnt in die Entwicklung der Technologie investiert. Im Jahr 2019 erreichte NPIC in einer Laborumgebung eine stabile sCO₂-Erzeugung mit voller Leistung. Sechs Jahre später wurde Chaotan One kommerziell.

Die Spezifikationen:

CNNC behauptet, dass Chaotan One im Vergleich zu herkömmlichen Abwärmedampfrückgewinnungssystemen eine um mehr als 85 % höhere Erzeugungseffizienz und eine um mehr als 50 % höhere Nettostromproduktion liefert und gleichzeitig den Platzbedarf des physischen Standorts halbiert.

Hier kommt es auf die Unterscheidung zwischen „Erzeugungseffizienz“ und „thermischer Effizienz“ an. Chaotan One ist kein Primärkraftwerk. Dabei handelt es sich um ein an ein Stahlwerk angeschraubtes Abwärmerückgewinnungssystem, das Wärme auffängt, die andernfalls an die Atmosphäre abgegeben würde. Die 85-prozentige Verbesserung bezieht sich auf den herkömmlichen Organic Rankine Cycle (ORC) und dampfbasierte Abwärmesysteme und ist kein Vergleich zu einem Gasturbinen-Kombikreislauf in vollem Umfang. Bei der Abwärmerückgewinnung ist der Sprung jedoch erheblich.

CNNC macht vor Stahlwerken nicht halt. Im Jahr 2024 startete das Unternehmen ein Demonstrationsprojekt „Energiespeicherung aus geschmolzenem Salz + überkritische CO₂-Stromerzeugung“, das für Chinas fünfte Charge großer, einzigartiger Energieausrüstung ausgewählt wurde und voraussichtlich bis 2028 abgeschlossen sein wird.

Der amerikanische Ansatz: 169 Millionen US-Dollar, Tendenz steigend

Die Vereinigten Staaten identifizierten sCO₂ 2017 als strategische Grenztechnologie. MIT Technology Review nannte es 2018 eine seiner „Top 10 bahnbrechenden Technologien“. Das Energieministerium investierte Geld in das Demonstrationsprojekt Supercritical Transformational Electric Power (STEP), eine 169 Millionen US-Dollar teure 10-Megawatt-Pilotanlage am Southwest Research Institute in San Antonio, Texas.

Am 7. Oktober 2024 schloss STEP die Testphase 1 ab. Die Turbine erreichte ihre volle Betriebsgeschwindigkeit bei 27.000 U/min, arbeitete bei 500 °C und 250 bar und erzeugte 4 Megawatt netzsynchronisierte Leistung in einer Einfachzyklus-Konfiguration.

Phase 2, die voraussichtlich im Jahr 2025 beginnen wird, wird die Anlage auf einen Recompression Brayton Cycle (RCBC) umstellen und die Turbineneintrittstemperatur auf 715 °C erhöhen, ein bedeutender Schritt hin zu den höheren Wirkungsgraden, die für die Primärstromerzeugung aus Kernreaktoren und konzentrierter Solarenergie erforderlich sind.

Der Kontrast zu China ist krass. Die USA gaben 169 Millionen US-Dollar aus, um in einer Pilotkonfiguration 4 Megawatt zu erzeugen. China hat 30 Megawatt kommerziell genutzt. Aber der Vergleich ist irreführend, wenn man ihn für bare Münze nimmt. STEP verfolgt ein härteres Ziel: den Betrieb des Primärenergiekreislaufs bei 715 °C für nukleare und solarthermische Anwendungen. Chaotan One nutzt die Abwärme eines Stahlwerks bei niedrigeren Temperaturen. China gewann das erste Rennen. Die USA trainieren für die härtere Herausforderung.

Das Solar Playbook, wiederholt

Das Muster ist unverkennbar.

In den 1950er Jahren erfanden Bell Labs die moderne Silizium-Solarzelle. Amerikanische Forscher dominierten jahrzehntelang die Photovoltaik-Wissenschaft. Bis 2010 hatte China die Kontrolle über die weltweite Herstellung von Solarmodulen übernommen. Im Jahr 2025 produziert China mehr Solarmodule als der Rest der Welt zusammen, obwohl dort keine der zugrunde liegenden Technologien entdeckt wurde.

sCO₂ folgt der gleichen Flugbahn. Das Konzept stammt von italienischen und amerikanischen Ingenieuren aus den späten 1960er Jahren. Sandia National Laboratories führt seit mindestens den frühen 2000er Jahren sCO₂-Forschungsprogramme durch. Die grundlegende Wissenschaft ist überwiegend amerikanisch. Der erste kommerzielle Einsatz erfolgt auf Chinesisch.

Michael Barnard von CleanTechnica stellt fest, dass Chinas Ansatz, „den Fluss zu überqueren, indem man nach Steinen tastet“, „wertvolles Lernen, aber auch viele Sackgassen“ hervorbringt. China setzt experimentelle Technologie in großem Maßstab ein, sammelt reale Degradationsdaten und iteriert. Die USA validieren Komponenten vor der Kommerzialisierung in nationalen Labors.

Im Solarbereich hat „Deploy-First“ den entscheidenden Sieg errungen. Ob sie sich hier durchsetzt, hängt davon ab, ob sCO₂-Systeme den Strapazen des industriellen Dauerbetriebs standhalten können.

Die Bombe zweiter Ordnung: Militärische Kompaktheit

Wenn eine Turbine zehnmal kleiner ist als ihr Dampfäquivalent, reichen die Auswirkungen weit über Stahlwerke hinaus.

Atom-U-Boote und Flugzeugträger nutzen derzeit Dampf-Rankine-Zyklen, um Reaktorwärme in Antrieb und elektrische Energie umzuwandeln. Diese Dampfsysteme sind riesig, komplex und erfordern enorme Mengen an Schiffsraum. Ein sCO₂-Brayton-Zyklus, der die gleiche Leistung in einem Zehntel des Volumens erzeugt, würde die Schiffsarchitektur grundlegend verändern.

Forscher haben bereits Entwürfe für integrierte nuklearbetriebene sCO₂-Systeme für Flugzeugträger veröffentlicht, die den herkömmlichen Sekundärkreislauf-Dampf-Rankine-Kreislauf durch einen regenerativen sCO₂-Energiekreislauf ersetzen. Kleine modulare Reaktordesigns unter Verwendung von Schmelzsalzreaktoren gepaart mit sCO₂-Brayton-Zyklen werden speziell für den Schiffsantrieb evaluiert, mit einem prognostizierten thermischen Wirkungsgrad des Zyklus von bis zu 50 %.

Die Organisation, die Chaotan One aufgebaut hat, CNNC, ist Chinas staatlicher Nuklearkonzern mit engen Verbindungen zu Schiffsantriebsprogrammen. Der sichtbare Tipp ist die Demo zur Abwärmerückgewinnung in einem Stahlwerk. Das für 2028 geplante Demonstrationsprojekt für geschmolzenes Salz + sCO₂ liegt direkt auf dem Weg zu kompakten, hocheffizienten Schiffsreaktoren.

Das US-Verteidigungsministerium weiß das. Zu den STEP-Programmpartnern des DOE gehört GE Vernova, dessen Muttergesellschaft Antriebssysteme für die US-Marine baut. Aber die Uhr läuft. China generiert reale Betriebsdaten zu sCO₂-Systemen, während das amerikanische Programm noch von 4 Megawatt aus skaliert wird.

Der Fall des Skeptikers: 80 Jahre „Fast fertig“

Nicht so schnell.

sCO₂-Energiezyklen werden seit 1946 vorgeschlagen. Achtzig Jahre „fast fertig“ sollten jeden zum Nachdenken bringen. Die Vorteile der Technologie sind real, aber auch ihre Fehlermöglichkeiten sind real, und sie sind nicht einfach.

Barnard identifiziert fünf überlappende Abbaumechanismen:

1. Aufkohlung des Wärmetauschers: CO₂ bei hoher Temperatur verursacht Karbidbildung und Versprödung in Stahlbauteilen.
2. Verschlechterung der Dichtung: Überkritisches CO₂ löst sich unter Druck in den Dichtungsmaterialien auf und führt zu allmählichen Undichtigkeiten, die sich eher in einem Effizienzverlust als in einem offensichtlichen Versagen bemerkbar machen.
3. Verunreinigungsbedingte Korrosion: Wasser-, Sauerstoff- oder Schwefelverunreinigungen verursachen Lochfraß an den Verbindungen.
4. Versagen der Diffusionsbindung: Die kompakten Wärmetauscher mit gedruckten Schaltkreisen (PCHEs), die sCO₂-Systeme klein machen, sind auch ihr schwächstes Glied. Sobald sich die Klebeverbindungen verschlechtern, muss die gesamte Einheit ausgetauscht werden.
5. Fouling aus industriellen Quellen: Die Abgase von Stahlwerken enthalten Partikel, Metalloxide und Schwefelverbindungen, die die Wärmeübertragung im Laufe der Zeit verringern.

Barnard schätzt die Wahrscheinlichkeit einer erheblichen Verschlechterung des Wärmetauschers innerhalb von 2 bis 5 Jahren für chinesische Einsätze auf 40–70 % und die Wahrscheinlichkeit von Verschmutzungsproblemen speziell für die Stahlwerksanwendung auf 60–85 %.

Die wissenschaftliche Literatur bestätigt die Herausforderungen. sCO₂-Systeme, die nahe dem kritischen Punkt betrieben werden, reagieren empfindlich auf kleine Abweichungen und erfordern schnelle und präzise Steuerungsstrategien, um Strömungsinstabilität zu verhindern. Bei hohen Temperaturen wird CO₂ zu stark korrosiven, anspruchsvollen Materialien, die der Umwelt jahrzehntelang standhalten können.

Wie Barnard argumentiert: „Ein System, das bei 15 MW startet und nach mehreren Jahren bei steigenden Wartungskosten 13 MW liefert, ist kein Durchbruch. Es ist eine teure Möglichkeit, Abwärme im Vergleich zu ausgereiften Alternativen auf Dampfbasis zurückzugewinnen.“

Die Grauzone: Bereitstellen und Lernen vs. Validieren und dann bereitstellen

Beide Ansätze sind rational.

China geht davon aus, dass reale Betriebsdaten, einschließlich Degradationsdaten, mehr wert sind als jede Laborsimulation. Jede Stunde, in der Chaotan One läuft, sammelt CNNC Informationen über Dichtungsverschleiß, Wärmetauscherverschmutzung und Steuerungssystemverhalten, die kein Prüfstand reproduzieren kann. Wenn sich das System verschlechtert, erfahren sie, wie es sich verschlechtert, wo es ausfällt und was zu beheben ist. Die Kosten für den Unterricht betragen eine 30-MW-Demo. Der Vorteil ist ein zehnjähriger Vorsprung auf der Lernkurve.

Die USA gehen davon aus, dass eine sorgfältige Komponentenvalidierung zu einem langlebigeren Produkt führt. Der sorgfältige Ansatz des STEP-Programms (Testen bei 500 °C vor der Skalierung auf 715 °C, Validierung von Materialien in Langzeit-Korrosionstests in nationalen Labors) könnte zu einem System führen, das 30 statt 5 Jahre lang zuverlässig funktioniert. Aber es opfert Geschwindigkeit zugunsten der Haltbarkeit. Und im Solarwettlauf lernte das Land, das zunächst unvollständige Solarmodule einsetzte, am schnellsten, iterierte am schnellsten und dominierte eine Generation lang den Weltmarkt.

Chaotan One könnte innerhalb von fünf Jahren zerfallen, wie Barnards Analyse nahelegt. Aber CNNC wird wissen, warum, und die nächste Version wird besser sein. Unterdessen zielt das STEP-Programm auf ein grundsätzlich schwierigeres Ziel ab (Primärenergiekreislauf bei 715 °C für Kernreaktoren), das transformative Ergebnisse liefern könnte, wenn die Materialwissenschaft standhält. Die Frage ist nicht, welcher Ansatz „richtig“ ist. Die Frage ist, welcher Ansatz zuerst zu kommerzieller Dominanz führt.

Was als nächstes kommt

Wenn sCO₂ in großem Maßstab funktioniert, beschränken sich die Auswirkungen nicht nur auf die Abwärmerückgewinnung oder sogar auf Schiffsantriebe. Jedes Wärmekraftwerk auf der Erde (Kernkraft, Gas, Kohle, Geothermie, konzentrierte Solarenergie) könnte theoretisch seinen Dampfkreislauf gegen einen sCO₂-Kreislauf austauschen, der 10 % effizienter und 90 % kleiner ist.

Das bedeutet, dass 80 % der weltweiten Stromerzeugung auf der Technologie von 1884 basiert, die aufgerüstet werden könnte.

Die Dampfturbine ist nicht tot. Es treibt die Zivilisation seit 142 Jahren an und wird nicht über Nacht verschwinden. Aber zum ersten Mal seit 1884 hat es einen glaubwürdigen kommerziellen Konkurrenten, und das Land, das es gebaut hat, ist nicht das Land, das es erfunden hat.

China übernahm die von den USA erfundene Solarzellentechnologie und verwandelte sie innerhalb eines Jahrzehnts in ein Produktionsmonopol. Die Frage ist nun, ob überkritisches CO₂ denselben Weg einschlägt oder ob der amerikanische Ansatz der Patientenvalidierung etwas hervorbringt, mit dem Chinas Deploy-First-Strategie nicht mithalten kann.

Chaotan One läuft. Die Uhr hat begonnen.

Quellen (12)

• en.cnnc.com.cn CNNC: World's First Commercial Supercritical CO2 Power Generator
• scientificamerican.com Can Carbon Dioxide Replace Steam to Generate Power?
• cleantechnica.com China Built A Supercritical CO2 Generator
• powermag.com POWER Magazine: STEP Demo Completes Phase 1
• gti.energy STEP Demo Phase 1 Milestone
• tpr.org Texas Public Radio: Steam Turbines Will Be Things of the Past
• interestingengineering.com Chaotan One
• netl.doe.gov DOE/NETL: Increasing Efficiency With Supercritical CO2
• mdpi.com MDPI Energies: Supercritical CO2 Power Technology
• collection.sciencemuseumgroup.org.uk Science Museum: Parsons Steam Turbine Generator 1884
• pmc.ncbi.nlm.nih.gov Supercritical CO2 System for Aircraft Carrier Nuclear Power
• newsreleases.sandia.gov Sandia National Labs: Brayton Cycle Turbines