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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Kraftwerke

Wärmekraftwerke wie Kohle-, Gas-, Öl- und Kernkraftwerke arbeiten alle nach dem gleichen Prinzip und unterscheiden sich nur in den Details. Deshalb soll hier die grundesätzliche Funktionsweise eines solchen Wärmekraftwerks beschrieben werden. Alle genannten Kraftwerke nutzen sogenannte Primärenergieträger, um Wärme zu erzeugen. Diese Wärmeenergie wird anschließend in elektrische Energie umgewandelt und als "Strom" an die Endverbraucher abgegeben.

Erzeugung von Dampf

Der erste Schritt auf dem Weg zum Strom ist die Erzeugung von heißem Dampf. Hierzu wird ein sogenannter Dampferzeuger (ein Kessel) benutzt. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Verbrennungsraum und einem Wärmetauscher. Hauptaufgabe des Dampferzeugers ist es, einen möglichst großen Anteil der in den Primärenergieträgern gespeicherten Energie zur Erzeugung des Dampfes zu nutzen. Um dies zu erreichen werden möglichst optimale Bedingungen eingestellt und nach geeigneter Vorbehandlung der Brennstoff in den Brennraum eingebracht (bei einem Kernkraftwerk ist das etwas anders). Der Verbrennungsraum ist von einer vielzahl von dünnen Rohren umgeben, in denen das sogenannte Speisewasser fließt (normales Wasser). Die heißen Gase, die bei der Verbrennung entstehen, umströmen diese Rohre und geben dabei ihre Wärme an das Wasser ab. Dadurch beginnt das Waser zu kochen und verdampft. Da der Dampf ein vielfaches Volumen einnimmt, steigt der Druck in den Röhren bei 530 °C Dampftemperatur auf etwa 180 bar (entspricht etwa dem Druck von Wasser in 1800 m Wassertiefe) an. Dieser heiße, komprimierte Dampf wird nun zur Turbine geleitet.

Erzeugung einer Drehbewegung

Eine Turbine ist im Prinzip nichts anderes als eine Windmühle, nur wird sie nicht vom Wind, sondern von dem unter Druck stehenden, heißen Wasserdampf angetrieben. Bei diesen Dampfturbinen strömt der heiße Dampf in Richtung des geringeren Drucks. Trifft der heiße Dampf hierbei auf die Turbinenblätter so wird ein Teil seiner Energie als Bewegungsenergie an die Turbine übertragen; die Turbine beginnt zu rotieren. Die rotierende Turbine kann nun die Bewegung über eine Welle an den Generator weiter leiten. Um möglichst viel von der Energie des Dampfes in Bewegung umzuwandeln, werden die Schaufeln zum Ausgang der Turbine immer größer. Dadurch lässt sich auch aus dem am Ende der Turbine stark ausgedehnten Dampf noch Bewegungsenergie gewinnen.

Umwandlung von Bewegung in Strom - der Generator

Die in der Turbine erzeugte Drehbeweung wird über eine Welle auf den Generator übertragen. Der Generator erzeugt aus dieser Bewegungsenergie nun elektrische Energie, die in Form von elektrischem Strom i.d.R. unmittelbar im Augenblick der "Entstehung" an die Kunden verkauft wird. Der Generator funktioniert dabei ähnlich wie ein Dynamo, den ja die meisten Leute vom Fahrrad kennen.

Was wird aus dem Dampf?

Wenn der heiße, komprimierte Dampf die Turbine verlassen hat, ist er noch etwa 30 - 40 °C warm und steht nur noch unter sehr geringem Druck, ist aber noch gasförmig. Da sich der Dampf nicht wieder in den Kessel zurück pumpen lässt, muss er zunächst verflüssigt werden. Dazu muss die Energie, die zum Verdampfen gebraucht wurde, wieder entzogen werden, denn diese ist noch im Dampf enthalten. Dies geschieht im Kondensator, einem von Kühlwasser umspülten Rohrsystem. Der Dampf gibt hier seine Wärme an das Kühlwasser ab und wird wieder flüssig, so dass er in den Kessel gepumpt und erneut erhitzt werden kann.

Das Kühlwasser, dass meist aus Flüssen stammt, wird hierbei erwärmt. Da dieses erwärmte Wasser nicht einfach mit erhöhter Temperatur in die Flüsse zurück gegeben werden darf, wird es im Kühlturm auf geringere Temperaturen abgekühlt.

Der Kühlturm

Der Kühlturm ist der wohl auffälligste Teil eines Wärmekraftwerks. Er ist oftmals über 100 m hoch und von nahezu gigantischen Ausmaßen. Im Kühlturm wird nun das Kühlwasser wieder abgekühlt. Dazu wird es im Inneren in etwa 10 - 20 m Höhe versprüht und rieselt als Regen nach unten, der einströmenden Luft entgegen. Durch zusätzliche Einbauten wird im Inneren des Turms eine große Oberfläche geschaffen, so dass das Wasser auf möglichst großer Fläche Kontakt zur Luft hat, die von unten nach oben durch den Turm strömt. Hierbei verdampft ein Teil des eingesetzten Kühlwassers, was an der Dampfwolke, die über solchen Türmen meist zu beobachten ist, erkennbar wird. Da es sich hierbei aber nur um Wasserdampf handelt, ist es ökologisch unbedenklich. Der größte Teil des Wassers wird allerdings unter dem Kühlturm im Auffangbecken gesammelt und kann nun entweder in den Fluss zurück geleitet oder erneut zur Kühlung benutzt werden.

Der Wirkungsgrad

Bei Wärmekraftwerken handelt es sich im physikalischen Sinne um sogenannte Wärmekraftmaschinen, d.h Maschinen, die aus Wärmeenergie physikalische Arbeit (Kraft mal Weg) erzeugen. Dieser Umwandlungsprozess ist leider bei weitem nicht vollständig sondern erheblich verlustbehaftet. Diese Verluste sind nur zu einem sehr kleinen Teil auf Unzulänglichkeiten des Kraftwerks zurückzuführen. Der weitaus größte Teil der Energieverluste ist durch die im Carnotschen Kreisprozess beschriebene Abgabe von Wärmeenergie an das "Universum" bei solchen Maschinen bedingt. Aus dem Carnotschen Kreisprozess ergibt sich für Wärmekraftwerke ein Wirkungsgrad für die reine Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie von normalerweise unter 50 %, d.h. aus physikalischen Gründen kann, von der ursprünglich im Energieträger enthaltenen Energie, weniger als die Hälfte zur Stromerzeugung genutzt werden. Der Rest muss als Abwärme an die Umgebung abgegeben werden. Anders ausgedrückt: Unsere Großkraftwerke lassen mehr als die Hälfte der im Brennstoff enthaltenen Energie ungenutzt und dieser Verlust ist auch durch technische Verbesserungen nicht vermeidbar. Nur durch eine andere Form der Nutzung der Primärenergieträger ohne die zwischenzeitliche Wärmeerzeugung wäre hier Abhilfe möglich. Großtechnisch nutzbare derartige Verfahren zur Energieumwandlung gibt es derzeit aber noch nicht.