Wärmekraftwerke

Wärmekraftwerke
Von Alexander Falger am 6.11.2006
Überblick
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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
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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
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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 °C570 °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%