Stromkraftwerk

Stromkraftwerk

Ein Kraftwerk ist eine industrietechnische Anlage zur Bereitstellung von elektrischer und teilweise zusätzlich thermischer Leistung.

Installierte Leistung aller Kraftwerke in der EU
Erzeugter Elektrischer Strom in Deutschland 1900–2005
Braunkohlekraftwerk Niederaußem
Das Laufwasserkraftwerk Hengstey zwischen Herdecke und Hagen
Windkraftanlagen in Dänemark
Kernkraftwerk Grafenrheinfeld
Speicherkraftwerk Maltatal
Großkraftwerk Mannheim
Industriedenkmal Kraftwerk Zschornewitz
Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk Marbach

Inhaltsverzeichnis

Wirtschaftliche Bedeutung

Kraftwerke besitzen eine erhebliche technische Komplexität und haben einen entscheidenden Einfluss auf das Funktionieren einer Volkswirtschaft. In ihnen ist ein großer Teil des volkswirtschaftlichen Vermögens eines Staates gebunden, ihnen kommt zudem eine erhebliche Bedeutung im Verbrauch wirtschaftlicher und ökologischer Ressourcen zu. Die Bedeutung der Kraftwerke wird in der Europäischen Union in den nächsten Jahrzehnten zunehmen, seriöse Studien prognostizieren eine Steigerung der Stromerzeugung innerhalb der EU von 2.898 Terawattstunden (TWh) im Jahre 2000 auf 3.988 TWh im Jahre 2020. In analoger Weise werden die weltweiten Zuwächse für den gleichen Zeitraum von 15.400 auf 28.000 TWh angegeben.

Die Investitionen für ein Kraftwerk sind erheblich. Beispielsweise rechnet man für ein modernes Kohlekraftwerk mit etwa 800 € pro installiertem Kilowatt elektrischer Leistung. Für einen Kraftwerksblock mit einer Leistung von 600 Megawatt sind danach Baukosten von 480 Millionen Euro anzusetzen.

In industriepolitischer Sicht kommt Kraftwerken ebenso eine besondere Bedeutung zu, da sich die Produzenten von Kraftwerkskomponenten einem weltweiten Wettbewerb zu stellen haben. Ihr heimischer Markt ist daher sehr klein, die weitaus größten Umsätze erwirtschaften diese Unternehmen auf dem Weltmarkt. Aus diesem Grund ist es notwendig, der einheimischen Industrie im eigenen Land Kraftwerke für die Referenz im internationalen Geschäft errichten zu lassen.

Bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit zukünftiger Kraftwerke benutzen Energieversorgungsunternehmen so genannte Hourly Price Forward Curves.

Physikalische Grundlagen

Kraftwerke wandeln nichtelektrische Energie in elektrische Energie um. Bei jeder Umwandlung von einer entropiebehafteten Energieform in Elektroenergie geht Energie der weiteren Verwertung verloren. Ein Teil davon kann unter gleichbleibenden Umgebungsbedingungen durch keinen anderen Prozess zurückgewonnen werden (Anergie). Ein anderer Teil der Verluste ist technisch bedingt und mit fortschreitender Entwicklung der Verfahren verringerbar.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes gibt an, in welchem Maße die darin eingesetzte Primärenergie als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Der elektrische Wirkungsgrad berücksichtigt nur elektrische Energie als Nutzenergie, während der Gesamtwirkungsgrad auch mögliche andere Formen von Nutzenergie erfasst.

Der Wärmekraftwerken zu Grunde liegende Carnot-Prozess setzt ihrem elektrischen Wirkungsgrad prinzipielle Grenzen, so dass bei der Energieumwandlung erhebliche Verluste, hauptsächlich als Wärme, unvermeidlich sind.

Moderne Wärmekraftwerke erreichen Wirkungsgrade zwischen 40 % und 50 %, es werden also 40 % bis 50 % der im Verbrennungsgut enthaltenen chemischen Energie nach der Umwandlung als elektrische Energie in das Stromnetz eingespeist. Der restliche Anteil geht in reinen Kraftwerken überwiegend als Abwärme über Kühltürme verloren. In Heizkraftwerken wird er dagegen als Fern- oder Prozesswärme weiter verwendet (Kraft-Wärme-Kopplung). Dadurch können Gesamtwirkungsgrade von 60 % bis 70 % erreicht werden, in Blockheizkraftwerken sogar über 90 %.

Leistung unterschiedlicher Kraftwerksarten in Deutschland im Jahre 2007; Quelle: BMWI[1]
Kraftwerkstyp Installierte Leistung
in GW		 erzeugte Energie
in TWh		 Anteil der gesamten
el. Energie		 mittlere Einschaltdauer
von 8760 h pro Jahr		 Wirkungsgrad1
Kohlekraftwerke 51,8 301 47 % 5810 h ca. 45 %
Kernkraftwerke 21,3 140,5 22 % 6596 h ca. 35 %
Gasturbinenkraftwerke 21,3 74,5 12 % 3498 h ca. 39 %
Windkraftanlagen 22,2 39,5 6 % 1779 h ca. 50 %
Wasserkraftwerke 10,1 27,5 4 % 2723 h ca. 80 %
Biomasse  ? 19,5 3,1 %  ? ca. 40 %
Müllverbrennung  ? 8,5 1,3 %  ? ca. 45 %
Ölkraftwerk 5,4 8,0 1,3 % 1481 h ca. 45 %
Photovoltaik 3,8 3,0 0,5 % 790 h ca. 15 %
Gesamt 137,5 636,5

1 Die angegebenen Wirkungsgrade beziehen sich auf das Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie zur eingesetzten Primärenergie. Im Fall einer zusätzlichen Wärmeauskopplung können bei den vier erstgenannten Arten zum Teil Nutzungsgrade bis zu 80 % erreicht werden.

Technische Verfahren

Elektrische Arbeit oder Energie (Leistung x Zeit) kann auf mehrere Arten aus anderen Energieformen freigesetzt und bereitgestellt werden:

Anlagen, die nur der Bereitstellung von Prozessdampf oder Heizenergie – im allgemeinen Sprachgebrauch auch schlicht Wärme genannt – dienen, werden Heizwerke genannt. Konventionelle Wärmekraftwerke wandeln die gespeicherte chemische Energie von vorwiegend nicht-erneuerbaren Brennstoffen in Wärme und dann in Elektrizität um, während so genannte regenerative Energie in Wasserkraftwerken, Sonnenkraftwerken, Windkraftwerken oder Biomassekraftwerken verwendet wird.

Die Funktion aller modernen Kraftwerke basiert auf dem gleichen Wirkungsprinzip:

Zu einem Kraftwerk gehören eine Reihe von Komponenten:

Alle diese Komponenten werden mit dem Kraftwerk-Kennzeichensystem erfasst und dokumentiert. Dies erleichtert die eindeutige Zuordnung und Benennung der Bauteile und hat sich international durchgesetzt.

In allen heute im großtechnischen Einsatz befindlichen Kraftwerkstypen in Europa wird die elektrische Energie in Form von Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz bereitgestellt. Allerdings haben in Deutschland, Österreich und der Schweiz manche Kraftwerke noch einen zweiten Generator für Bahnstrom (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz), wobei es auch Kraftwerke gibt, die nur Bahnstrom erzeugen (Bahnkraftwerke). In anderen Gegenden der Welt (überwiegend in Amerika) wird eine Frequenz von 60 Hertz verwendet. Für die Ankopplung von Windparks kann es mitunter sinnvoll sein, zur besseren Ausregelung der Lastspitzen die Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) anzuwenden.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist ihre Fähigkeit zum Schnellstart und damit zum Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz. Gasturbinenkraftwerke und bestimmte Typen von Wasserkraftwerken können innerhalb weniger Minuten aus dem Stillstand heraus ihre volle Leistung ins Stromnetz abliefern, Dampfkraftwerke benötigen für diesen Vorgang einige Stunden, Kernkraftwerke benötigen einige Tage. Aus diesem Grunde werden die letztgenannten in erster Linie zur Deckung der Grundlast herangezogen, während Gasturbinen- und Wasserkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke) häufig die Spitzenlast im Netz übernehmen.

Standortwahl

Der Standortwahl kommt beim Bau von Kraftwerken eine große Bedeutung zu.

Thermische Kraftwerke werden häufig in der Nähe von Ballungszentren mit hohem Stromverbrauch gebaut, weil lange Stromleitungen auf Grund des damit verbundenen elektrischen Widerstands einen hohen Spannungsabfall verursachen und dadurch Verluste auftreten. Andererseits werden besonders Braunkohlekraftwerke wegen der Transportkosten des Brennstoffs meist in der Nähe von Tagebauen errichtet.

Standorte in der Nähe großer Gewässer werden bevorzugt, um eine leichte Kühlwasserentnahme zu ermöglichen und das erwärmte Wasser wieder in das Gewässer einspeisen zu können. Ein schiffbares Gewässer begünstigt die Anlieferung von Brennstoffen und schweren Anlagenkomponenten. Wegen Belästigungen durch Lärm und Abgase sowie aus Gründen der Leitungsführung werden größere Kraftwerke üblicherweise nicht in unmittelbarer Nähe von Wohnsiedlungen errichtet.

Wasserkraftwerke müssen dort errichtet werden, wo sich Flüsse entweder gut aufstauen lassen oder wo ein großes natürliches Gefälle vorhanden ist. Für letzteres ist das Kraftwerk Walchensee ein gutes Beispiel.

Windkraftwerke können prinzipiell auf jedem freiem Feld aufgestellt werden, da zu ihnen nur selten Materiallieferungen nötig sind, und da sie wegen ihrer geringen Leistung den erzeugten Strom ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen. Allerdings müssen wegen der Geräuschbelästigung ein Abstand von mehreren hundert Metern zu permanent bewohnten Häusern eingehalten werden. Der Standort einer Windkraftanlage muss über eine gute Standfestigkeit verfügen, da Windkraftanlagen schwer sind und bei starken Winden großen Belastungen standhalten müssen.

Bauarten von Kraftwerken

Die folgenden Arten von Kraftwerken sind heute im Gebrauch:

Noch im experimentellen Stadium hinsichtlich der physikalischen Grundlagen sind:

Vor- und Nachteile

Jeder Kraftwerktyp hat Vor- und Nachteile. Berücksichtigt werden müssen jeweils Fragen wie:

Umweltbelastungen

Durch CO2

In Deutschland wird elektrische Energie vorzugsweise mit Kraftwerken erzeugt, die prinzipbedingt sehr viel CO2 erzeugen. Die aus Klimaschutzgründen erstrebenswerte Technologie CO2-emissionsfreier Kraftwerke ist zurzeit noch mit erheblichen Einbußen beim Wirkungsgrad verbunden. Für die Bindung der Verbrennungsgase und ihr Verpressen in poröses Gestein müssen etwa 10 % der eingesetzten Energie aufgewendet werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad auf nur noch 30 % bis 40 % sinkt. Die sogenannte „CO2-freie“ Verbrennung gilt daher als noch nicht ausgereift.

Nicht alle Kraftwerke erzeugen im Betrieb CO2, jedoch entsteht bei der Herstellung, beim Betrieb und bei ihrem Abriss grundsätzlich auch klimaschädliches CO2. Die insgesamt (über den gesamten Lebenszyklus) freigesetzte Menge ist sehr unterschiedlich, wie die folgende Tabelle zeigt. Die rot unterlegten Felder zeigen, dass in Deutschland die Kohlekraftwerke nur 47 %, also nicht einmal die Hälfte der gesamten elektrischen Energie erzeugen, aber über 80 % des dabei erzeugten Kohlendioxids CO2 verursachen. Der Anteil, den Kernkraftwerke bei etwa gleicher Gasamtleistung indirekt beitragen, ist mit 0,7 % verschwindend gering. In den beiden rechten Spalten ist die aktuelle Verteilung im Nachbarland Frankreich gegenübergestellt.

Kraftwerksart CO2-Emissionen pro

kWh in Gramm [2]

 Anteil der gesamten
el. Energie (2007)

in Deutschland[3]

 Anteil an der CO2
-Erzeugung

aller Kraftwerke
in Deutschland

 Anteil der gesamten
el. Energie (2007)

in Frankreich

 Anteil an der CO2
-Erzeugung

aller Kraftwerke
in Frankreich
Wasserkraft 4 - 13 4,3 % 0,06 % 8,8 %[4] 1,2 %
Windenergie 8 - 16 6,2 % 0,12 % 0 %
Kernkraftwerk 16 - 23 22 % 0,7 % 86,6 %[5] 27,8 %
Photovoltaik 80 - 160 0,5 % 0,1 % 0 %
Erdgas GuD 410 - 430 11,7 % 8,1 %
Erdöl 890 1,3 % 1,9 %
Steinkohle 790 - 1080 22,8 % 35,3 % 4,6 %[6] 71 %
Braunkohle 980 - 1230 24,5 % 44,9 %
andere (Müll, Biomasse..) (geschätzt: 800) 6,7 % 8,9 %
Strommix in

Deutschland (2007)

 604

Quellen: Süddeutsche Zeitung 2007[7], Bundesministerium BMWI

Obwohl auch in Frankreich 71 % des erzeugten CO2 durch die 15 Kohlekraftwerke freigesetzt werden, ist die Gesamtmenge erheblich geringer, wie die folgenden Tabelle zeigt. In dieser werden für das Jahr 2007 die Auswirkung der sehr unterschiedlichen Kraftwerkparks der Nachbarländer Deutschland und Frankreich verglichen. Nach Angaben der EDF[8] werden 95 % der elektrischen Energie in Frankreich CO2-frei erzeugt. Bei fast gleicher elektrischer Gesamtenergie produziert man in Frankreich nicht einmal 10 % des in Deutschland freigesetzten Klimagases CO2.

Staat Gesamterzeugung
aller Kraftwerke
in TWh		 Strommix
g pro kWh		 Gesamt-CO2
in 109 kg		 Anzahl der großen thermischen
Kraftwerksblöcke		 Anzahl der
Kernkraftwerksblöcke
Deutschland 636,5 604 384 ≈70 17
Frankreich[9] 610,6[10] 61 37 15 58

Durch radioaktive Beimengungen

Von kerntechnischen Unfällen einmal abgesehen, ist - was oftmals nicht beachtet wird - die Strahlenbelastung des Menschen durch Gewinnung und Einsatz von Kohle deutlich höher als diejenige durch Kernkraftwerke. In Kohle sind Spuren verschiedener radioaktiver Substanzen enthalten, vor allem von Radon, Uran und Thorium. Der Gehalt liegt je nach Lagerstätte zwischen wenigen ppm und 80 ppm[11]. Da weltweit etwa 7800 Millionen Tonnen Kohle pro Jahr in Kohlekraftwerken verbrannt wird, schätzt man den Gesamtausstoß auf 10.000 Tonnen Uran und 25.000 t Thorium, der zum großen Teil in der Asche enthalten ist. Die Asche von europäischer Kohle enthält etwa 80 - 135 ppm Uran.

Bei der Kohleförderung, vor allem aus Tagebauen, über Abgase von Kraftwerken oder über die Kraftwerksasche werden diese Substanzen freigesetzt und tragen zur künstlichen Strahlenbelastung bei[12]. Dabei ist vor allem die Bindung an Feinstaubpartikel besonders kritisch. In der Umgebung von Kohlekraftwerken können z.T. sogar höhere Belastungen gemessen werden als in der Nähe von Kernkraftwerken. Nach Schätzungen des Oak Ridge National Laboratory werden durch die Nutzung von Kohle zwischen 1940 bis 2040 weltweit 800.000 t Uran und 2 Mio. t Thorium freigesetzt werden.[13][14]

Zwischen 1960 und 1970 wurde in den USA etwa 1100 Tonnen Uran aus Kohleasche gewonnen. 2007 beauftragte die chinesische National Nuclear Corp die kanadische Firma Sparton Resources, in Zusammenarbeit mit dem Beijing No.5 Testing Institute Versuche durchzuführen, Uran aus Kohleasche zu gewinnen. Dieses soll im Xiaolongtang Kernkraftwerk in Yunnan eingesetzt werden[15]. Der Urangehalt der Asche liegt mit durchschnittlich 210 ppm Uran (0.021%U) über dem Urangehalt mancher Uranerze.

Kulturelle Bedeutung

Manche Kraftwerke aus der Pionierzeit der Elektrifizierung sind heute noch voll betriebene technische Denkmäler. Das Walchenseekraftwerk war früher das Wahrzeichen des Bayernwerks. Manche Kraftwerksbauten wurden unter künstlerischen Gesichtspunkten entworfen oder wurden im Rahmen von Kunstprojekten verziert. Ein prominentes Beispiel dieser Art ist das Kraftwerk Heimbach, das im Jugendstil entworfen wurde.

Etymologie

Der Begriff Kraftwerk ist aus heutiger Sicht physikalisch falsch, da ein Kraftwerk keine Kraft erzeugt, sondern lediglich andere Energieformen in elektrische Energie umwandelt. Der Begriff kommt daher, dass bis ins 19. Jahrhundert das Wort "Kraft" auch für Energie benutzt wurde.

Einzelnachweise

  1. ↑ http://bmwi.de/BMWi/Navigation/Energie/energiestatistiken,did=180894.html Energiestatistik
  2. ↑ Summarische Darstellung der verschiedenen Bilanzen von SZ, WNA und Ökoinstitut nach CO2-Bilanzen verschiedener Energieträger im Vergleich, Wissenschaftliche Dienste des Deutschen Bundestages, 2007
  3. ↑ http://bmwi.de/BMWi/Navigation/Energie/energiestatistiken,did=180894.html Energiestatistik
  4. ↑ [1]
  5. ↑ [2]
  6. ↑ [3]
  7. ↑ Summarische Darstellung der verschiedenen Bilanzen von SZ, WNA und Ökoinstitut nach CO2-Bilanzen verschiedener Energieträger im Vergleich, Wissenschaftliche Dienste des Deutschen Bundestages, 2007
  8. ↑ [4]
  9. ↑ [5]
  10. ↑ [6]
  11. ↑ Naturally-Occurring Radioactive Materials
  12. ↑ Radioactivity in Coal Ash
  13. ↑ [7] bund-nrw.de
  14. ↑ [8] bund-nrw.de
  15. ↑ Radioactivity in Coal Ash

Siehe auch

Literatur

  • Fachzeitschrift BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft), herausgegeben vom VDI

Weblinks


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