Wärmekraftwerke

Von Alexander Falger am 6.11.2006

Überblick

• Was ist ein Wärmekraftwerk• Bedeutung• Funktionsprinzip• Wärmequelle• Kühlung• Technische Realisierungen

– Wärmeentnahme aus der Natur • Sonnenwärmekraftwerk• Erdwärmekraftwerk• Meereswärmekraftwerk

– Wärmefreisetzung im Kraftwerk selber• Kernkraftwerk• Kohlekraftwerk, Ölkraftwerk, Gasturbinenkraftwerk

• Wirkungsgrad

Was ist ein Wärmekraftwerk

• Ein Wärmekraftwerk ist ein Elektrizitätswerk, das Wärmeenergie in elektrische Energie umsetzt.

• Die Wärmeenergie wird zunächst in einer Kraftmaschine (Turbine) in nutzbare kinetische Energie umgewandelt und diese dann durch einen Generator in elektrische Energie, es finden also Energieumwandlungen statt.

Bedeutung

• Wärmekraftwerke sind das Rückgrat unserer Stromversorgung, sie 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.

• Da die fossilen Vorkommen begrenzt sind, gewinnen alternativen Verfahren (Windkraft, Photovoltaik, Kernkraft) stetig an Bedeutung.

Funktionsprinzip Dampfkraftwerk

1. Aus einer "Energiequelle" wird Wärme entzogen und in ein Arbeitsmittel wie beispielsweise Wasserdampf überführt.

2. In einer Wärmekraftmaschine wie beispielsweise einer Turbine wird ein kleinerer Teil der Wärme im Arbeitsmittel in mechanisch nutzbare Arbeit umgewandelt.

3. Am Ende des Prozesses verlässt das Arbeitsmittel die Wärmekraftmaschine und gibt den Rest der nicht genutzten Wärme an die Umgebung ab.

Wärmequelle

• Die meisten Wärmekraftwerke erzeugen die benötigte Wärme selbst, indem sie fossile Brennstoffe (ÖL, Kohle, Gas) verbrennen oder die Abwärme von nuklearen Prozessen nutzen.

• Als natürliche Wärmequellen können

die Erdwärme und die Sonnenstrahlung genutzt werden.

Kühlung

• Viele Wärmekraftwerke nutzen zur Kühlung das Wasser aus vorbeifließenden Flüssen. Es sind Grenzwerte festgelegt, um wie viel Grad Celsius bzw. auf welche Temperatur der Fluss maximal erwärmt werden darf. Dies kann im Sommer bei hoher Wassertemperatur zur Abschaltungen des Kraftwerks führen.

• Eine weitere, auch kombinierbare Möglichkeit ist die Verwendung von Kühltürmen, über die die Abwärme abgegeben wird, sofern man sie nicht zur Heizung benachbarter Wohnsiedlungen nutzen kann.

Nasskühlturm• In Nasskühltürmen 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 Befeuchtung und die Erwärmung der Luft führen 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.

Funktionsschema

• Die chemische Energie des Brennstoffs wird zunächst in Wärme und Dampf (Dampferzeuger), dann in kinetische Energie (Turbine) und schließlich in elektrische Energie (Generator) umgewandelt. Um den thermischen Wirkungsgrad des Kraftwerks zu steigern, lässt man den abgearbeiteten Dampf nicht einfach ins Freie entweichen, sondern entzieht ihm über einen Kühl-Kondensator die Verdampfungswärme, so dass er kondensiert und erneut als Speisewasser für den Kessel verwendet werden kann.

Gemeinschaftskraftwerk Hannover

• Als Brennstoff dient Steinkohle. Die beiden hochaufragenden Kesselhäuser beherbergen die Dampferzeuger. Die dazugehörigen beiden Turbosätze befinden sich in der Maschinenhalle rechts daneben. Links neben den Kesselhäusern sieht man die umfangreichen Anlagen der Rauchgasreinigung mit den Schornsteinen. Ganz links der Kühlturm, der als Naturzug-Nasskühlturm ausgeführt ist.

Sonnenkraftwerke

• Ein Sonnenwärmekraftwerk ist ein Elektrizitätswerk, das als Energiequelle Sonnenlicht verwendet.

• Zur Zeit gibt es fünf Konzepte für die industrielle Nutzung der Sonnenwärme, die sich in zwei Kategorien einteilen lassen:– Kraftwerke, die nur die Direktstrahlung nutzen– die die gesamte Globalstrahlung (also Direkt- und

Diffusstrahlung) nutzbar machen.

Solarthermische Kraftwerke zur Nutzung der Direktstrahlung

• Diese Kraftwerke verwenden Kollektoren um das einfallende Sonnenlicht zu konzentrieren. Da sie lediglich den Direktstrahlungsanteil nutzen, sind sie nur in besonders sonnenreichen Regionen wirtschaftlich einsetzbar.

• Solarfarmkraftwerke nutzen Linienkollektoren, die die Sonnenstrahlung auf eine Brennlinie konzentrieren, während in Solarturmkraftwerken und Paraboloidkraftwerken die Strahlung der Sonne mit Punktkollektoren auf einen Brennpunkt gebündelt wird.

Solarfarmkraftwerke

• Parabolrinnenkollektoren bestehen aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln.

• Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern.

• In den Absorberrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium abgegeben.

• Die Parabolrinnen werden aus Kostengründen meist einachsig der Sonne nachgeführt. Sie sind deshalb in Nord-Süd-Richtung angeordnet und werden der Sonne im Tagesverlauf von Ost nach West nachgeführt.

• Das Kollektorfeld eines Solarfarmkraftwerkes besteht aus vielen parallel geschalteten Parabolrinnenkollektoren.

Solarturmkraftwerke

• Solarturmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung mit Hilfe hunderter bis tausender automatisch positionierender Spiegel auf einen zentralen Absorber konzentriert.

• Der Absorber ist auf einem Turm angebracht und wandelt die Strahlungsenergie in Wärme um.

• Solarturmkraftwerke fokussieren also auf einen Brennpunkt. Die Temperaturen erreichen daher deutlich höhere Werte als bei Solarfarmkraftwerken.

• Durch die Programmierung der Spiegel kann Prozesswärme nahezu beliebiger Temperatur generiert werden.

• In der Regel wird die im Absorber entstehende Wärme jedoch über ein Dampf- oder Gasturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt.

• Die maximal möglichen Temperaturen liegen bei ca. 1300 °C.

• Wärmeträgermedium ist entweder flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Luft.

• Die größten derzeit existierenden Anlagen sind "Solar Two" (10 MW, Jahr 1996, Arbeitstemperatur: 290 °C-570 °C) in Kalifornien und Forschungsanlagen in Almeria (Spanien).

Paraboloidkraftwerke

• Paraboloidspiegel sind zweiachsig drehbar auf einem Gestell montiert und reflektieren das Sonnenlicht auf einen im Brennpunkt angebrachten Wärmeempfänger.

• Diese Bauform ist sehr kompakt und erlaubt es, beliebig viele dieser Module zu einem großen Solarkraftwerk zusammen zu schalten.

• Die Spiegel werden mit Durchmessern von 3 bis 25 Metern ausgeführt, womit Leistungen von bis zu 50 kW pro Modul erreichbar sind.

• Bei Dish-Stirlingmotor-Anlagen arbeitet der Empfänger nach dem Stirling-Prinzip. Die thermische Energie wird dabei direkt in mechanische Arbeit umgesetzt

Aufwindkraftwerk (Thermikkraftwerk)

• machen sich ein sehr einfaches physikalisches Prinzip zu Nutze, die Tatsache nämlich, dass warme Luft nach oben steigt.

• Die Sonne scheint durch ein großes flächiges Glasdach (Kollektor) und heizt die Luft am Boden wie in einem Treibhaus auf. Die warme Luft steigt nach oben und strömt unter dem Glasdach zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. Der entstehende Aufwind wird mit Hilfe einer Turbine, gekoppelt mit einem Generator, in elektrischen Strom umgewandelt wird.

• Dem geringen Wirkungsgrad von maximal 2 Prozent stehen geringe technische Anforderungen der Anlage entgegen.

• Das Aufwindkraftwerk bei Manzanares in Südspanien erbrachte eine elektrische Leistung von bis zu 50 kW. Es wurde 1988 demontiert, nachdem der 200 Meter hoher Kamin durch einem Sturm umgeworfen wurde. Weitere Anlagen sind bisher nicht errichtet worden.

Solarteichkraftwerke

• Hier bilden flache Salzseen eine Kombination von Solarkollektor und Wärmespeicher.

• Da das Wasser am Grund viel salzhaltiger und daher dichter ist als an der Oberfläche ist, wird Sonnenstrahlung absorbiert und in der unteren Wasserschicht als Wärme gespeichert.

• Da die Temperaturen am Teichgrund nur 85 bis 90 °C erreichen, muss mit Arbeitsmedien gearbeitet werden, die bei niedrigen Temperaturen verdampfen.

• Die Umwandlung der Wärme in elektrischen Strom erfolgt mit Hilfe eines so genannten ORC-Kraftwerks, dass zum Beispiel Ammoniakdampf als Arbeitsmedium nutzt.

Der Siedewasserreaktor

• Beim Siedewasserreaktor wird in einem Reaktordruckgefäß mit Hilfe von Kernenergie Wasser verdampft.

• Der Dampf hat einen Druck von rund 70 bar und treibt eine Turbine an. Die dann einem Generator die nötige Energie zur Stromerzeugung liefert.

• Im Reaktordruckgefäß befindet sich der Reaktorkern, durch den Wasser strömt. Dieser setzt sich aus etwa 800 Brennelementen zusammen mit jeweils 64 Brennstäben.

• Das Wasser strömt nach oben und umspült die Brennstäbe (das sind Metallrohre, die mit den Brennstofftabletten gefüllt sind; diese bestehen aus angereichertem Uran in Form von Urandioxid (UO2)).

Der Druckwasserreaktor

• Beim Siedewasserreaktor wird der Dampf, der die Turbinen antreibt, direkt im Reaktor erzeugt. Beim Druckwasserreaktor siedet das Wasser, welches mit dem Reaktorkern in Berührung kommt, nicht.

• Der Druck des Wassers  ist so groß (150 bar), dass es trotz hoher Temperatur immer flüssig bleibt.

• Dieses Primärwasser erhitzt über die Rohrleitungen in einem Dampferzeuger das sogenannte Sekundärwasser (mit dem es nicht in Berührung kommt) und kühlt sich dabei von 330 °C auf 290 °C ab.

• Während das Sekundärwasser siedet und mit seinem Dampf Turbine und Generator antreibt, wird das flüssige Primärwasser zurückgepumpt, wo es durch Kernspaltung wieder auf rund 330 °C erhitzt wird.

• Bei einem  typischen Druckwasserreaktor mit 1300 MW Leistung besitzt der Kern rund 200 Brennelemente mit je 300 Brennstäben.

• Wie beim Siedewasserreaktor dient auch hier das Wasser im Reaktorkern als neutronenbremsender Moderator.

• Daneben hat es auch noch eine regulierende Funktion. Erhitzt sich der Reaktor zu stark, so nimmt die Dichte des Primärwassers ab. Dadurch werden die schnellen Neutronen weniger gut abgebremst, die Zahl der energieliefernden Spaltungen sinkt, und das ganze System kühlt sich wieder ab.

• Siede- und Druckwasserreaktoren bezeichnet man zusammenfassend auch als Leichtwasserreaktoren, da sie als Kühlmittel leichtes Wasser (H2O), und nicht schweres Wasser (D2O) benutzen.

Wirkungsgrad

• Der Wirkungsgrad eines heutigen Wärmekraftwerkes liegt typischerweise zwischen 25% und 45%. Höhere Wirkungsgrade lassen sich in Systemen mit mehr als einer Turbine erzielen, jedoch ist der technische Aufwand entsprechend größer.

• Sonnenkraftwerk bis 15%• Wasserkraftwerk 80-90%• Solarzelle 5-30%• Windenergieanlage bis 40%