Naturzugkühlturm

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Trockenkühlturm des KKW THTR-300 (Hamm-Uentrop)

Naturzug-Nasskühlturm des Kernkraftwerks Philippsburg mit Ablauf

Kühlturm auf dem Gelände der Peiner Träger GmbH

Ein Kühlturm ist ein Bauwerk, in dem das in industriellen oder Kraftwerksprozessen erwärmte Kühlwasser abgekühlt wird, indem die vorhandene Prozesswärme an die Umgebung abgegeben wird. Er ist im technisch-physikalischen Sinn ein reiner Wärmeverbraucher. Er ist normalerweise ein Bestandteil der Anlagen, die für die Bereitstellung des sogenannten Kühlwassers für die Prozesskühlung erforderlich sind. In der Regel befindet sich das Kühlwasser und der Kühlturm in einen eigenem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess.

Die Kühltürme im Kraftwerksprozess

Zur Kondensation des Dampfes, nachdem er eine Kraftwerksturbine durchströmt hat, werden erhebliche Mengen Kühlwasser benötigt. In einem großen Wärmekraftwerk können pro Stunde bis zu 100.000 Kubikmeter Wasser die Anlagenteile und den Kühlturm passieren.

In einen elektrischen Kraftwerk befinden sich in der Regel zwei getrennte Wasserkreisläufe.

• Das Wasser des sogenannten Heizkreislauf wird in einem Heizkessel erhitzt und in der Turbine die Wärmeenergie des Dampfes in mechanische Energie umgewandelt, die dann den Generator antreibt. Anschließend wird dieses Wasser in einen Kondensator entspannt, damit es optimal thermisch und physikalisch in der Lage ist, wieder im Heizkessel Wärmeenergie aufzunehmen.
• In dem zweiten Wasserkreislauf, den sogenannten Kühlkreislauf wird die Wärmeenergie vom Kondensator abgeführt und falls erforderlich das Wasser in einem Kühlturm abgekühlt.

Weil auch die Anlagenteile des Kühlkreislaufes äußerst empfindlich auf Verschmutzungen reagieren, muss das Kühlwasser zuvor gereinigt werden. Zu diesem Zweck werden Treibgutrechen und Filter verwendet, wobei die Filter in erster Linie einzelne Komponenten wie Kondensator und Wärmeübertrager schützen. Das Kühlwasser wird anschließend in einem Kühlturm oder auch einem Kühlteich soweit abgekühlt, dass es entweder in ein Fließgewässer abgegeben oder erneut im Kühlkreislauf verwendet werden kann.

Die Gründe für den Betrieb eines Kühlturmes liegen zum einen in der Forderung, ein möglichst kaltes Ende des Dampfkreislaufes im Wärmekraftwerk bereit zu stellen und andererseits von einem nahen Fließgewässer oder einen sonstigen Wärmeverbraucher unabhängig zu sein. Ebenfalls notwendig ist ein Kühlturm, wenn das Kühlwasser aus Umweltschutzgründen nur mit begrenzter Temperatur in das Fließgewässer abgegeben werden darf.

Bei einem Atomkraftwerk ist der Wärmekreislauf zusätzlich in einem nuklearen und einem konventionellen Teil physisch getrennt, um eine radioaktive Kontaminierung von der Turbine und anderer Anlagenteile durch das Reaktorkühlwasser außerhalb des Atomreaktors zuverhindern. In der Regel wird das Kühlwasser des konventionellen Kraftwerkteiles, wie ein einem konventionellen Kraftwerk üblich, nach der Dampfturbine durch den Kühlkreislauf und durch Kühltürme gekühlt.

Die physikalische Funktion eines Kühlturms

Man spricht von Abwärme, die in erster Linie im Kühlturm umgesetzt wird, wenn die Erzeugung von elektrischem Strom im Kraftwerk im Vordergrund steht. Die vertikale Anordnung des Kühlturms erlaubt die Nutzung des Kamineffekts. Er bewirkt, dass die in dem nach unten und oben offenen Kühlturm stehende Luft erwärmt wird, dadurch aufsteigt und frische Luft nachzieht. Daher ist eine mechanische Förderung des Luftstroms mit einem Lüfter nicht unbedingt erforderlich, wird jedoch nicht selten, insbesondere bei kleinen Anlagen, zur Erhöhung der Effektivität eingesetzt. Der Kühlbedarf eines Großkraftwerks kann bei deutlich mehr als 4 GW liegen. Mit dieser Wärmemenge werden im zugehörigen Kühlturm etwa 1500 Kilogramm Wasser in der Sekunde in Wasserdampf umgewandelt.

Bei jedem folgend beschriebenen Kühlverfahren muss das Wasser in Filteranlagen vorgereinigt werden, damit die immer vorhandenen Grobverschmutzungen nicht den nachgeschalteten Turbinenkondensator verstopfen und damit unwirksam machen. Weiterhin wirken die Kühltürme großer Kraftwerke wie Luftwäscher. Ihre reinigende Wirkung auf die sie durchströmende Luft bleibt für die Umwelt gering, der ausgewaschene Staub konzentriert sich jedoch im Kühlwasser und kann eine erhebliche Verschmutzung der nachgeschalteten Anlagenteile bewirken. Besonders die Kondensatoren der Dampfturbinen sind davon betroffen, die daher mit dem Kugelumlaufverfahren gereinigt werden müssen.

Typische Bauformen von Kühltürmen

Kühltürme zählen zu den rotationssymmetrischen Schalentragwerken. Die Aussteifung der Schale erfolgt über den oberen und unteren Ring. Sie werden inzwischen in Höhen bis zu 200 m ab Geländeoberkante errichtet (Kraftwerk Niederaußem) und haben eine Mindestwanddicke von 16 cm nach alter Vorschrift. Aufgrund der Novellierung der Normengeneration DIN 1045 und DIN 1055 wurden auch die konstruktiven Voraussetzungen neu definiert, so dass inzwischen Mindestwandstärken von 18 cm gefordert werden (siehe die BTR-Kühltürme).

Trotz der teilweise gewaltigen Dimensionen sind Kühltürme aus Stahlbeton die filigransten Betonbauwerke überhaupt. Bei einer Bauhöhe von 200 m hat der Kühlturm in Niederaußem eine Wandstärke von weniger als 30 cm. Vergleicht man die Proportionen, so ist die Wandstärke etwa nur ein Fünftel so dick wie die eines Hühnereies. Aus diesem Grund erhält ein Kühlturm i.d.R. einen anspruchsvollen Oberflächenschutz. Dies ist vor allem dann erforderlich, wenn durch Rauchgaseinleitung der Beton chemischen Belastungen ausgesetzt wird. Aber auch bei konventionellen Kühltürmen gibt es erhebliche Belastungen z. B. durch Algenbewuchs. Die biogenen Folgeprodukte von Algen greifen den Beton an. Sterben die Algen ab, so schrumpfen sie und reißen durch ihre intensive Haftung die Betonfläche auf.

Bauarten von Kühltürmen

Die meisten Kühltürme haben die Form von Rotationshyperboloiden. Diese Bauform hat den Vorteil, dass es sich beim Rotationshyperboloid um eine Regelfläche handelt, was bedeutet, dass er mit gekreuzten geraden Stahlträgern aufgebaut werden kann, wodurch die Baukosten gegenüber anderen Kühlturmformen gesenkt werden. Ferner unterscheidet man:

Trockenkühltürme

Trockenkühltürme sind Kühltürme, in denen die Wärme über Wärmetauscher durch Konvektion an die Luft abgegeben wird. Zur Unterstützung der Konvektion können bei dieser Bauart große Ventilatoren eingesetzt werden, die Rohre der Wärmeüberträger erhalten Kühlrippen.

Naturzugkühltürme

In Naturzugkühltürmen wird das zu kühlende Wasser in die Luft versprüht und über Füllkörper verrieselt. Dadurch wird ihm Verdunstungswärme entzogen und die Luft befeuchtet. Verdunsten von einem Kilogramm Wasser 10 Gramm, so sinkt die Temperatur des Wassers um 6 Grad. Zusätzlich wird das Wasser durch den feinverteilten Kontakt mit der Luft durch Konvektion gekühlt und die Luft erwärmt. Die Erwärmung der Luft führt zu einer Abnahme der Dichte und damit einer Zunahme des Auftriebs der Luft. Oberhalb des Kühlturmes wird das Gemisch als Dampfschwaden sichtbar. Etwa 1,5 bis 2,5 % des umlaufenden Kühlwassers verdunsten dabei und müssen ergänzt werden. Deswegen ist im Bereich von Kühltürmen im Winter oft Industrieschnee zu sehen. Ein weiterer Austausch des Kühlwassers durch die Abflut ist notwendig, um zu verhindern, dass sich die im Wasser gelösten Salze zu sehr aufkonzentrieren (akkumulieren). Kalk-Ablagerungen stellen hierbei das Hauptproblem dar; beim Betrieb eines Wärmekraftwerkes mit 3 GW thermischer Leistung können pro Tag ca. 10 Tonnen Kalk anfallen, die z. B. durch Lösen mit Ameisensäure aus dem Wasserkreislauf entfernt werden müssen. Diese Bauart wird in erster Linie im Dampfkraftwerk eingesetzt. Den tiefsten Bereich eines Nasskühlturmes, in dem sich das versprühte Kühlwasser sammelt, nennt man Kühlturmtasse.

Naturzugkühltürme haben wegen der Nutzung der Verdunstung eine sehr hohe Leistungsdichte, dafür aber auch einen Wasserverlust, der dem Kreislauf wieder zugeführt werden muss. Die Wasserverluste werden durch eine, über der Wasserverteilung liegenden Lage Tropfenabscheider reduziert, jedoch nicht ganz vermieden. Sie sind daran zu erkennen, dass sie, vor allem bei kühlerem Wetter, weithin sichtbare "Nebelschwaden" erzeugen. Ein Nebeneffekt ist das Einbringen von Wasserdampf in die Atmosphäre, was lokal die Bildung von Nebel oder Niederschlag bewirken kann. Bei genügend hohen Temperaturen im Wasserkreislauf können sich Bakterien (z.B. Legionellen) vermehren. Durch die Verdunstung kann das Kühlwasser theoretisch bis auf die Feuchtkugeltemperatur, die bei trockenem Wetter deutlich unter der Lufttemperatur liegt, abgekühlt werden.

Zellenkühltürme

Der Zellenkühler ist ein Bauwerk aus Holz, GFK, Stahl oder Beton, in dem dass durch Prozesse erwärmte Kühlwasser rückgekühlt wird. Ein Zellenkühler ist ein zwangsbelüfteter (saugender) Kühlturm, in dem das erwärmte Kühlwasser durch die an den Wasserverteilerrohren angeschlossenen Sprühköpfe über die Rieselkörper verteilt wird. Dabei wird dem Wasser Verdunstungsenergie entzogen. Auf dem Kühlturmdeck befindet sich ein Diffusor mit einem Ventilator, welcher durch einen Elektromotor und ein Getriebe angetrieben wird. Dieser Ventilator erzeugt im Zellenkühler einen Unterdruck. Kühle Luft tritt durch den sogenannten Lufteintritt im unteren Bereich des Zellenkühlers ein und wird durch die Rieselkörper nach oben gesogen, wo die erwärmte, gesättigte Luft dann durch den Diffusor am sogenannten Luftaustritt wieder heraus gedrückt wird. Eine Lage Tropfenabscheider unmittelbar über der Wasserverteilung verringert die Wasserverluste. Somit werden große Wassertropfen nicht nach außen getragen. Ein Zellenkühler kann zur Verringerung von Geräuschemissionen mit Schallschutzelementen im Lufteintritt und Luftaustritt ausgestattet werden.

Hybridkühltürme

Zellenkühler (vorne) und Hybridkühlturm (hinten) im Kernkraftwerk Neckarwestheim

Hybridkühltürme vereinigen die technisch-physikalischen Vorteile von Trockenkühlturm und Nasskühlturm (hohe Kühlleistung, besserer Wirkungsgrad). Gegenüber Nasskühltürmen besitzen sie aber wegen des Leistungsbedarfes für die notwendigen Ventilatoren einen schlechteren Wirkungsgrad. Zudem liegen die Investitionen für Hybridkühltürme gleicher Leistung sehr viel höher.

Hybridkühltürme werden daher häufig in Anlagen oder Kraftwerken gebaut wo es zu eventuellen Beschwerden der Anwohner oder mangelnde Akzeptanz wegen Schwadenbildung kommen könnte oder dort, wo man durch Schwaden und Industrieschnee Planungs-, Verkehrs- und Genehmigungsprobleme bekommen könnte.

Hybridrückkühlanlagen können als drückende, runde oder saugende Variante in Zellenbauweise errichtet werden (siehe Zellenkühler). D.h. entweder hat der Kühlturm im unteren Bereich Ventilatoren und drückt die Umgebungsluft in den Kühlwasserschleier im Inneren oder der Kühlturm hat den Ventilator im oberen Bereich angeordnet und saugt die Luft durch den sog. Lufteintritt im unteren Bereich des Kühlturms an.

Beim Hybridkühlturm wird den Schwaden vorm Verlassen der Rückkühlanlage ein warmer Luftstrom, in Wärmetauschern erzeugt, beigemischt. Dadurch bleibt die Luft untersättigt und ist beim Verlassen des Kühlturms nicht sichtbar. Hybridkühltürme werden aus Beton, Holz, Gfk oder Stahl gebaut.

Kühlverfahren

Durchlaufkühlung

Wenn das erwärmte Kühlwasser unbehandelt in das Gewässer zurückgeführt wird, handelt es sich um eine Durchlaufkühlung. Die Durchlaufkühlung stellt die effizienteste und wirtschaftlichste Form der Kühlung dar. Sie kann jedoch nur dort angewandt werden, wo der Wärmeeintrag keine unzumutbare Belastung für das Gewässer darstellt. In Deutschland wird Durchlaufkühlung vorwiegend an Küstenstandorten oder am Rhein betrieben. Speziell am Rhein hat die "Arbeitsgemeinschaft der Bundesländer zur Reinhaltung des Rheins (ARGE Rhein)" bereits 1971 einen Wärmelastplan für den deutschen Rheinabschnitt vorgelegt, der noch heute Gültigkeit besitzt.

Ablaufkühlung

Bei diesem Verfahren wird einem Fließgewässer das notwendige Kühlwasser entnommen, im Kondensator erwärmt und dann im Kühlturm versprüht. Das nicht verdampfte und auf seine Ursprungstemperatur abgekühlte Wasser wird wieder dem Fließgewässer zugeführt, um Salze und Verunreinigungen auszuschwemmen. Letztere würden in ihrer Konzentration ständig zunehmen, wenn das nicht an die Atmosphäre abgegebene Wasser wiederholt im Turm eingesetzt werden würde.

Umlaufkühlung

Die Umlaufkühlung verwendet dagegen stets das gleiche Wasser; es werden ausschließlich die Verluste aus Verdampfung und Abflut ergänzt. Dieses Verfahren hat sich bei einem geringen Angebot an Kühlwasser sehr bewährt. Jedoch hat die ständige Verdunstung eine Aufsalzung (die Eindickung) des Kühlwassers zur Folge, dass es zu Ablagerungen insbesondere von Calcium- und Magnesium-Karbonaten (Härtebildner) kommt. Um dem Effekt entgegenzuwirken, wird das Kühlwasser mit Chemikalien (z. B. Phosphonsäure) stabilisiert. Ab einer gewissen Obergrenze des Gesamtsalzgehaltes und der Gesamthärte muss über Abflut und Frischwasserzulauf eine Verdünnung des Kühlwassers herbeigeführt werden. Beim Einleiten der Abflut in städtische Schmutzwasseranlagen (Indirekteinleitung) oder Gewässer (Direkteinleitung) gelten staatliche Umweltauflagen. Ein weiteres Problem der Umlaufkühlung ist das Wachstum von Mikroorganismen. Neben dem Fouling müssen hygienische Probleme mit lungengängigen Bakterien im Kühlturmaerosol (Legionella spec., Pseudomonas aeruginosa) berücksichtigt werden. Daher wird das Kühlwasser auch mit Biozid und Bio-Dispergator behandelt.

Die technische Nutzungsmöglichkeiten der Abwärme

Bei Kraftwerken für die Stromerzeugung wird von dem Kondensator an den Kühlkreislauf des Kühlturmes abgegebene Wärme verfahrensbedingt bei einer sehr niedrigen Temperatur übertragen. Diese Abwärme geringer Temperatur ist daher praktisch technisch nutzlos und muss im Kühlturm an die Umgebung abgeführt werden. Bei einem Bedarf an Wärme (z. B. in einem Fernwärmenetz) kann diese Kondensationswärme aber auch bei einer höheren Temperatur abgeführt werden. Dies mindert zwar den elektrischen Wirkungsgrad und die elektrische Leistung des Kraftwerkes, insgesamt wird aber die Energie des Brennstoffes besser ausgenutzt. Zum Betrieb eines Fernwärmenetzes ist wegen der vielen Wärmeübertrager und der deretwegen erforderlichen Temperaturgefälle eine Temperatur des Primärkreislauf von 130 bis 150 Grad Celsius notwendig. Da in den mehrstufigen Turbinen der Wasserdampf in der Regel bis an den Beginn der Kondensation expandiert wird, muss der Prozess schon vorher abgebrochen werden, was eine Einbuße von bis zu 25% der elektrischen Leistung bedeutet. Weiterhin geht die Kühlleistung eines Fernwärmenetzes im Sommer stark zurück, so dass trotzdem in (kleinere) Kühltürme investiert werden muss. Das System Strom- und Wärmeerzeugung kann mit maximaler Effizienz nur dezentral betrieben werden, wenn also nur geringe Strecken zum Wärmetransport überwunden werden müssen, und die innere Energie des Treibmittels bis zu dessen Kondensation genutzt werden kann. Man spricht dann von Kraft-Wärme-Kopplung oder dezentraler Energieversorgung, die mit zunehmender Verteuerung von Brennstoffen an Bedeutung gewinnt.

Der Kühlturm als Schornstein

Die Aufgabe eines klassischen Kühlturm ist allein die Abgabe von Wärmeenergie. Das ist ein rein physikalischer Prozess. Der Kühlturm übernimmt hierbei nicht die Funktion eines Schornsteins der bei technischen Verbennungsprozessen erforderlich ist.

Bei modernen, mit Rauchgasreinigungsanlage ausgerüsteten Kraftwerken übernimmt der Kühlturm auch die Funktion des Schornsteins.

Der Vorteil dieser (in Deutschland erstmals im Modellkraftwerk Völklingen angewandten) Technik, der sog. Reingaseinleitung, liegt darin, dass die erwärmte und feuchte Abluft des Kühlturms einen wesentlich stärkeren Auftrieb bietet als das Rauchgas. Hierdurch kann eine Verteilung der Abgasfahne mit weitaus geringerer Bauhöhe erreicht werden als bei einem "konventionellen" Schornstein. Dies ist insbesondere bei Kohlekraftwerken von Vorteil, deren Abgase nach der nassen Wäsche in der Rauchgasentschwefelung stark abgekühlt sind und nur noch einen geringen Auftrieb haben.

Die Anwendung von Kühltürmen außerhalb eines Kraftwerks

Kühltürme befinden sich nicht nur in Kraftwerken, sondern werden auch in anderen Anlagen oft in der Chemischen Industrie mit Wasserkühlung verwendet. Die Kühltürme dieser Anlagen sind wegen der meist geringeren Wärmemengen (Abwärme) erheblich kleiner.

Die Alternativen zum Kühlturm

Weil der Kühlturm als ein reiner Wärmeverbraucher im thermischen Kreisprozess, große Mengen an Wärmeenergie relativ geringer Temperatur ungenutzt an die Umwelt abgibt, wurde nach Möglichkeiten gesucht diese thermische Energie wirtschaftlich zu nutzen. In der Regel kann diese Wärmeenergie für die Beheizung von Gewächshäusern und Fischteichen verwendet werden.

Die Brandgefahren im Kühlturm

Sobald ein Kühlturm außer Betrieb ist, kann von ihm wegen der sehr leichten Rieseleinbauten (Polypropylen, Polyvinylchlorid, Asbestzement, Holz) und des Kamineffekts eine erhebliche Brandgefahr ausgehen. Am 12. Mai 2003 brannte bei Abrissvorbereitungen in einem stillgelegten Kraftwerk bei Schwandorf ein Naturzugkühlturm ab, nachdem in seinem Inneren ohne Brandschutzmaßnahmen geschweißt wurde ^[1]. Innerhalb von 45 Minuten brannten 108 Tonnen Einbauteile aus Polypropylen ab, nach weiteren 50 Minuten waren auch 60 Tonnen hölzerne Einbauteile verbrannt. Die frühzeitig gerufene Feuerwehr hatte, nicht zuletzt wegen Einsturzgefahr, keine Chance, das Feuer rechtzeitig zu löschen. Versuche der VGB haben gezeigt, dass ein Kühlturmbrand unlöschbar ist und daraus immer ein Totalschaden, auch der baulichen Substanz, entsteht.

Der Kühlturm als Kunstobjekt

Gemälde an einem Kühlturm des Kernkraftwerks Cruas

Zwischenzeitlich werden Kühltürme auch als Leinwand und Kunstobjekt entdeckt. So befindet sich die größte Karte der Welt auf der 26.000 m² großen Außenseite des Kühlturmes in Meppen-(Hüntel) (Emsland). Das Konzept stammt von dem Künstler Christoph Rihs.

Ein weiteres Beispiel für die Nutzung eines Kühlturms als Kunstobjekt findet sich in Frankreich. Beim Kernkraftwerk Cruas wurde ein Gemälde auf den Kühlturm gezeichnet.

Quellen

1. ↑ VGB PowerTech, Fachzeitschrift: VGB Kraftwerkstechnik 06/2006

Weblinks

• Wofür benötigen Kraftwerke mit Ab- oder Durchlaufkühlung Kühlwasser?
• Foto des brennenden Kühlturmes bei Schwandorf
• Animation zur Funktionsweise eines Hybridkühlturms