Wärmekraftwerke

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.

Thermodynamischer Kreislauf eines Dampfkraftwerkes

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.

Funktionsprinzip

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

Theoretisch wird dieser zyklische Prozess in der Physik durch den Carnot-Prozess beschrieben. Die theoretische Betrachtung einer idealen Kraft-Wärme Maschine liefert das Ergebnis, dass der Wirkungsgrad selbst unter Vernachlässigung von Reibung, Wärmestrahlung und Wärmeleitung prinzipiell begrenzt ist. 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 GuD-Kraftwerken.

Faktoren für die praktische Nutzbarkeit

Neben dem Wirkungsgrad sind folgende Faktoren zu beachten:

• Generelle verfügbare Energiemenge der primären Energiequelle
• Erschließbare Vorkommen
• Kosten pro erzeugter Engergieeinheit
• 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 - 120)/(570 + 273) = 53 % 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. Leider 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.

Bedeutung

Wärmekraftwerke liefern heute 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. Die oben erwähnten alternativen Verfahren gewinnen aber stetig an Bedeutung, da die fossilen Vorkommen begrenzt sind.

Technische Realisierungen des Prinzips Wärmekraftwerk

• Wärmeentnahme aus der Natur (siehe auch Regenerative Energie):
  • Erdwärmekraftwerk
  • Meereswärmekraftwerk
  • Sonnenwärmekraftwerk
• Wärmefreisetzung im Kraftwerk selber:
  • Kernkraftwerk (eigentlich Kernfissionskraftwerk)
    • 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