Wärmekraftwerk

Ein Wärmekraftwerk wandelt Wärme, genauer thermische Energie, teilweise in elektrische Energie um. Es wird auch thermisches Kraftwerk oder kalorisches Kraftwerk genannt und funktioniert nur, wenn zwei Wärmereservoirs mit ausreichendem Temperaturunterschied vorliegen. Die Wärme wird zunächst in einer Kraftmaschine in nutzbare kinetische Energie umgewandelt und diese dann durch einen Generator in elektrische Energie, es finden also Energieumwandlungen statt.

Viele Wärmekraftwerke sind Dampfkraftwerke. Es gibt allerdings auch Kraftwerke, die keine Dampfturbinen oder nicht einmal einen Wasserkreislauf aufweisen, wie beispielsweise historische Kraftwerke mit Dampfmaschinen oder moderne Diesel-/Gasmotor- oder Gasturbinenkraftwerke. Ein gemeinsames Kennzeichen von heutigen Wärmekraftwerken sind die thermodynamischen Kreisläufe des Arbeitsmittels, die beim Dampfkraftwerk geschlossen und beim Gaskraftwerk offen sind.

Bedeutung

Wärmekraftwerke liefern in den meisten industrialisierten Staaten (Ausnahmen: Norwegen, Schweiz und Österreich) einen Großteil (je nach Region 60–100 %) der elektrischen Energie. Der Grund für diese monopolähnliche Stellung sind die sehr großen, leicht erschließbaren Energievorkommen in Form von fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Kohle und Erdgas, sowie die jahrzehntelange Nutzung dieser Technologie. Alternative Verfahren gewinnen aber stetig an Bedeutung, da die fossilen Vorkommen begrenzt sind.

Funktionsprinzip

Dampferzeuger Dampf

Dampfturbine Dampf

Kondensator Wasser

Speisepumpe Wasser

Das Funktionsprinzip von Dampfkraftwerken ist stets folgendes:

1. Einer "Energiequelle" wird Wärme entzogen und an ein Arbeitsmittel wie beispielsweise Wasserdampf überführt.
2. In einer Wärmekraftmaschine, z.B. einer Turbine, wird ein Teil der Wärme des Arbeitsmittels in mechanisch nutzbare Arbeit umgewandelt, wenn ein Druckunterschied vorliegt. Dabei dehnt sich das Arbeitsmittel gegen einen äußeren Druck aus.
3. Am Ende des Prozesses verlässt das Arbeitsmittel die Wärmekraftmaschine und gibt den Rest der nicht genutzten Wärme direkt oder indirekt an die Umgebung ab.

Danach wiederholt sich der erste Schritt wieder; der Vorgang ist zyklisch. Ein großer Teil der thermischen Energie im Arbeitsmittel geht an die Umgebung verloren oder wird durch Kühlung bewusst abgeführt. Bei Kraft-Wärme-Kopplung wird auch noch die Abwärme genutzt.

Wärmequelle

Die meisten Wärmekraftwerke erzeugen die benötigte Wärme selbst, indem sie fossile Brennstoffe verbrennen oder im Kernkraftwerk die Abwärme von nuklearen Prozessen nutzen. Als natürliche Wärmequellen können die Erdwärme und die Sonnenstrahlung genutzt werden.

Wirkungsgrad

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.

Wird die Abwärme nicht zum Heizen verwendet, liegt der Wirkungsgrad eines heutigen Kraftwerkes typischerweise zwischen 30% und 45%. Höhere Wirkungsgrade lassen sich in Systemen mit mehr als einer Turbine erzielen, jedoch ist der technische Aufwand entsprechend größer. Praktisch ausgeführt werden solche Anlagen beispielsweise in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken.

Eine wesentliche bessere Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie kann in Heizkraftwerken durch Auskopplung von Fern- oder Prozesswärme erzielt werden (Kraft-Wärme-Kopplung). Dadurch können Gesamtwirkungsgrade (genauer: Gesamt-Nutzungsgrad) von 60 % bis 70 % erreicht werden, in Blockheizkraftwerken sogar über 90 %.

Faktoren für die praktische Nutzbarkeit

Neben dem Wirkungsgrad sind folgende Faktoren zu beachten:

• Generelle verfügbare Energiemenge der primären Energiequelle
• Erschliessbare Vorkommen
• Kosten pro erzeugter Energieeinheit
• Technische Realisierbarkeit der Verbrennung
• Umweltbelastung durch Emissionen, Abwärme oder ionisierende Strahlung
• Betriebsrisiken

Kreislauf eines Wärmekraftwerkes 1:Dampfkessel 2: Feuerung
3: Dampfturbine 4: Generator
5: Kondensator 6: Verbindende Rohrleitung

Kühlung

Mitunter wird die Ansicht vertreten, dass die Zwangskühlung des Dampfes am Ausgang der Turbine einen unnötigen und vermeidbaren Energieverlust darstellt und dass sich der Wirkungsgrad deutlich über 35 % steigern ließe, wenn man auf die Kühlung verzichten würde. Dabei wird übersehen, dass ohne Kühlung der Sturm, der die Turbinenschaufeln antreibt, recht schnell abflauen würde. Besäße der Dampf am Eingang und Ausgang der Turbine die gleiche Temperatur, gäbe es keinen Grund, dass sich der Dampf überhaupt bewegt. Für eine hohe Dampfgeschwindigkeit kommt es auf eine möglichst hohe Temperaturdifferenz an. Diese erreicht man, indem man auf der einen Seite den Dampf überhitzt und auf der anderen Seite so weit kühlt, dass gerade noch keine Wassertropfen entstehen, die die Turbinenblätter beschädigen würden.

Zur Vermeidung von Materialproblemen begrenzt man bei Kohlekraftwerken die Dampftemperatur auf 570°C (bei KKW sogar auf nur 300°C) und kann deshalb einen Carnot-Wirkungsgrad von (570 - 40)/(570 + 273) = 63 % prinzipiell nicht überschreiten.

Viele Wärmekraftwerke nutzen zur Kühlung das Wasser vorbeifließender Flüsse. Das erspart den Kühlturm mit seinen vielen Nachteilen und die Temperatur am Auslass der Dampfturbine kann wirkungsvoller abgesenkt werden. Allerdings kann dadurch das Flusswasser zu warm werden. Es sind deshalb Grenzwerte festgelegt, um wie viel Grad Celsius bzw. auf welche Temperatur der Fluss maximal erwärmt werden darf, um ein Umkippen zu verhindern. Dies kann im Sommer bei hoher Wassertemperatur zur Abschaltungen des Kraftwerks führen. Seit den 1970er Jahren wurden sogenannte Wärmelastpläne eingerichtet, denen man die maximale Temperatur des Gewässers entnehmen kann. Eine weitere, auch kombinierbare Möglichkeit ist die Verwendung von Kühltürmen, über die die Abwärme abgegeben wird, sofern man sie nicht über die Kraft-Wärme-Kopplung zur Heizung benachbarter Wohnsiedlungen oder von Gewächshäusern nutzen kann.

Kühlverfahren

Bei jedem der folgend beschriebenen Kühlverfahren muss das Wasser mit Hilfe von Filteranlagen von Verschmutzungen gereinigt werden, damit die immer vorhandenen Grobverschmutzungen nicht den nachgeschalteten Turbinenkondensator verstopfen und damit unwirksam machen. 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. 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.

Durchlaufkühlung ohne Kühlturm

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. Kritisch sind die Sommermonate, weil dann ein Umkippen des Gewässers erfolgen kann. 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 mit Kühlturm

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 mit Kühlturm

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, sodass 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 Kühlturm (Legionella spec., Pseudomonas aeruginosa) berücksichtigt werden. Daher wird das Kühlwasser auch mit Biozid und Bio-Dispergator behandelt.

Technische Realisierungen des Prinzips Wärmekraftwerk

• Wärmeentnahme aus der Natur (siehe auch Regenerative Energie):
  • Erdwärmekraftwerk
  • Meereswärmekraftwerk
  • Sonnenwärmekraftwerk
• Wärmefreisetzung im Kraftwerk selber:
  • Kernkraftwerk (eigentlich Kernspaltungskraftwerk)
    • Kernfusionskraftwerk (auch eine Form von Kernkraftwerken aber bislang nur Forschungsanlagen)
  • Kohlekraftwerk
    • Braunkohlekraftwerk
    • Steinkohlekraftwerk
  • Torfkraftwerk
  • Heizölkraftwerk
  • Erdgaskraftwerk
  • Gasturbinenkraftwerk
  • GuD-Kraftwerk
  • Biomassekraftwerk
• Wärmeentnahme aus anderen technischen Prozessen:
  • Abwärmekraftwerk
    • Müllheizkraftwerk