Wärmekraftwerk

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Wärmekraftwerk wandelt Wärme, genauer thermische Energie, teilweise in elektrische Energie um. Es wird auch thermisches Kraftwerk oder kalorisches Kraftwerk genannt. Damit diese Umwandlung möglich ist, müssen mindestens zwei Wärmereservoirs mit ausreichendem Temperaturunterschied vorhanden sein. Die Wärme wird zuerst in einer Kraftmaschine, oft einer Turbine, in nutzbare kinetische Energie umgewandelt. Anschließend erzeugt ein Generator daraus elektrische Energie.

Viele Wärmekraftwerke sind Dampfkraftwerke. Dabei spielt meist ein Wasserdampf-Kreislauf eine zentrale Rolle. Es gibt aber auch Wärmekraftwerke ohne Dampfturbine oder Wasserkreislauf, zum Beispiel historische Kraftwerke mit Dampfmaschinen sowie moderne Diesel-, Gasmotor- oder Gasturbinenkraftwerke. Ein gemeinsames Merkmal heutiger Wärmekraftwerke sind thermodynamische Kreisläufe des Arbeitsmittels: Beim Dampfkraftwerk sind sie geschlossen, beim Gaskraftwerk offen.

In den meisten industrialisierten Staaten liefern Wärmekraftwerke einen großen Teil der elektrischen Energie, je nach Region 60 bis 100 %. Ausnahmen sind Norwegen, die Schweiz und Österreich. Die Bedeutung hängt auch mit verfügbaren Energievorkommen zusammen, besonders fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle sowie Uran. Diese Quellen wurden jahrzehntelang genutzt, und die zugehörigen Technologien wurden optimiert. Gleichzeitig gewinnen alternative Energiequellen und Verfahren an Bedeutung, weil fossile Vorkommen begrenzt sind und ihre Abgas- und Abfallprodukte die Umwelt belasten.

Wärmequellen und technische Formen

Die benötigte Wärme wird in den meisten Wärmekraftwerken im Kraftwerk selbst erzeugt. Häufig geschieht das durch Verbrennung fossiler Brennstoffe. In Kernkraftwerken wird die Abwärme nuklearer Prozesse genutzt. Als natürliche Wärmequellen kommen Erdwärme und Sonnenstrahlung infrage.

Technische Realisierungen des Prinzips Wärmekraftwerk lassen sich nach der Herkunft der Wärme ordnen. Bei der Wärmeentnahme aus der Natur nennt der Artikel Erdwärmekraftwerk, Meereswärmekraftwerk und Sonnenwärmekraftwerk; diese werden als regenerativ eingeordnet. Bei der Wärmefreisetzung im Kraftwerk selbst werden kernphysikalische Kraftwerke genannt, darunter Kernkraftwerk, genauer Kernspaltungskraftwerk, sowie Kernfusionskraftwerk, das bislang nur in Forschungsanlagen existiert. Außerdem gehören dazu Kohlekraftwerk, Braunkohlekraftwerk, Steinkohlekraftwerk, Torfkraftwerk, Heizölkraftwerk, Erdgaskraftwerk, Gasturbinenkraftwerk, GuD-Kraftwerk und Biomassekraftwerk. Biomasse wird dabei als erneuerbare Energiequelle bezeichnet.

Eine weitere Gruppe nutzt Wärme aus anderen technischen Prozessen. Dazu zählen Abwärmekraftwerke und Müllheizkraftwerke. Diese Einteilung zeigt, dass Wärmekraftwerke nicht nur eine bestimmte Bauart bezeichnen, sondern ein technisches Prinzip: Aus einer Wärmequelle und einer kälteren Wärmesenke wird über eine Kraftmaschine und einen Generator elektrische Energie gewonnen.

Wirkungsgrad und Nutzbarkeit

Der elektrische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der eingesetzten Energie als elektrische Energie nutzbar wird. Bei Wärmekraftwerken ist er durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt. Ein ideales Wärmekraftwerk würde einen Carnot-Prozess verwirklichen. Sein theoretischer Wirkungsgrad hängt vom oberen Temperaturniveau T_H und vom unteren Temperaturniveau T_K ab:

η_th = 1 - T_K / T_H

Der theoretische Wirkungsgrad realer Gas- und Dampfkraftwerke liegt unterhalb des Carnot-Wirkungsgrades, weil ihre Prozesse nicht genau dem Carnot-Prozess entsprechen. Bei Gaskraftwerken wird meist der Joule-Kreisprozess genutzt. Dampfkraftwerke arbeiten mit einem Prozess auf Basis des Clausius-Rankine-Kreisprozesses. Die unvermeidlichen Verluste der Energiewandlung müssen als Wärme auf einem niedrigeren Temperaturniveau abgeführt werden.

Wenn die Abwärme nicht zum Heizen verwendet wird, liegt der Wirkungsgrad heutiger Kraftwerke typischerweise zwischen 30 % und 45 %. Höhere Wirkungsgrade sind mit Systemen möglich, die mehr als eine Turbine verwenden; der technische Aufwand ist dann größer. Praktisch wird dies zum Beispiel in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken, kurz GuD-Kraftwerken, umgesetzt.

Eine deutlich bessere Nutzung der eingesetzten Primärenergie ist möglich, wenn Abwärme als Fernwärme oder Prozesswärme ausgekoppelt wird. Dieses Verfahren heißt Kraft-Wärme-Kopplung. In Heizkraftwerken können dadurch Gesamtwirkungsgrade, genauer Gesamt-Nutzungsgrade, von 60 % bis 70 % erreicht werden. In Blockheizkraftwerken sind sogar über 90 % möglich.

Für die praktische Nutzbarkeit zählen neben dem Wirkungsgrad weitere Faktoren: die generell verfügbare Energiemenge der primären Energiequelle, erschließbare Vorkommen, Kosten pro erzeugter Energieeinheit, technische Realisierbarkeit der Verbrennung, Umweltbelastungen durch Emissionen, Abwärme oder ionisierende Strahlung sowie Betriebsrisiken.

Kühlung als Voraussetzung

Wärmekraftwerke nutzen eine Temperaturdifferenz. Je größer der Unterschied zwischen heißer Wärmequelle und kalter Wärmesenke ist, desto mehr Energie kann gewonnen werden. Deshalb ist neben einer möglichst heißen Wärmequelle auch eine möglichst kalte Wärmesenke wichtig. Viele Wärmekraftwerke brauchen daher eine Kühlung ihres Arbeitsmittels.

Häufig wird zur Kühlung Wasser aus vorbeifließenden Flüssen verwendet. Das kann einen Kühlturm ersetzen oder unterstützen und senkt die Temperatur am Auslass der Dampfturbine wirksam ab. Gleichzeitig kann das Flusswasser dadurch zu warm werden. Deshalb gibt es Grenzwerte dafür, um wie viele Grad Celsius beziehungsweise auf welche Temperatur ein Fluss maximal erwärmt werden darf. Dadurch soll ein Umkippen des Gewässers vermieden werden. Besonders im Sommer kann dies bei hohen Wassertemperaturen dazu führen, dass ein Kraftwerk abgeschaltet werden muss.

Seit den 1970er Jahren wurden sogenannte Wärmelastpläne eingerichtet. Sie geben die maximale Temperatur des jeweiligen Gewässers an. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von Kühltürmen, über die Abwärme abgegeben wird. Falls die Abwärme durch Kraft-Wärme-Kopplung genutzt wird, kann sie zum Beispiel zur Heizung benachbarter Wohnsiedlungen oder von Gewächshäusern dienen.

Wärmekraftwerke zählen zu den größten Wasserverbrauchern der Wirtschaft. In Industriestaaten entfallen etwa 40 % der gesamten Wasserentnahme aus Frischwasserquellen auf Wärmekraftwerke. Die höchsten Verbräuche weisen Kernkraftwerke und zukünftige Kohlekraftwerke mit CO2-Abscheidung und -Speicherung auf.

Kühlverfahren

Bei den beschriebenen Kühlverfahren muss aus Flüssen entnommenes Wasser zunächst von Grobverschmutzungen gereinigt werden. Dafür werden Treibgutrechen und gegebenenfalls Filter eingesetzt. Die Filter schützen vor allem einzelne Komponenten wie Kondensator und Wärmeübertrager. Erhitztes Flusswasser kann anschließend in einem Kühlturm oder Kühlteich abgekühlt werden, bis es wieder in ein Fließgewässer abgegeben oder erneut im Kühlkreislauf verwendet werden kann. Kühltürme großer Kraftwerke wirken außerdem wie Luftwäscher; ihre reinigende Wirkung auf die Luft ist für die Umwelt gering, der ausgewaschene Staub kann sich aber im Kühlwasser konzentrieren und Anlagenteile verschmutzen.

Bei direkter Kühlung wird Flusswasser im einfachsten Fall direkt zur Kühlung hinter der Turbine eingesetzt. Besonders Kondensatoren von Dampfturbinen sind dabei von Verschmutzung betroffen und müssen mit dem Kugelumlaufverfahren gereinigt werden.

Bei zwei- oder mehrstufigen Kühlkreisläufen wird das Turbinenkondensator-Kühlwasser in einem weitgehend geschlossenen Primär-Kühlkreislauf geführt. Dieses Wasser wird über einen Wärmeübertrager durch Flusswasser gekühlt, das als Sekundär-Kühlwasser meist in einem offenen Kreislauf läuft. Bei Atomkraftwerken gibt es mitunter eine weitere Trennstufe, also drei Kühlwasserkreisläufe, um radioaktive und nicht-radioaktive Bereiche zu trennen.

Die Effizienz verschiedener Kühlsysteme wird im Artikel mit Faktoren angegeben: Durchlaufkühlung mit Seewasser 1,024, Durchlaufkühlung mit Flusswasser 1,015, Nasskühlturm 1,000 und Trockenkühlturm 0,952. Die Durchlaufkühlung ohne Kühlturm ist die effizienteste und wirtschaftlichste Form der Kühlung. Dabei wird erwärmtes Kühlwasser unbehandelt in das Gewässer zurückgeführt. Sie ist aber nur möglich, wenn der Wärmeeintrag das Gewässer nicht unzumutbar belastet. In Deutschland wird sie vor allem an Küstenstandorten oder am Rhein betrieben. Für den deutschen Rheinabschnitt legte die Arbeitsgemeinschaft der Bundesländer zur Reinhaltung des Rheins (ARGE Rhein) bereits 1971 einen Wärmelastplan vor, der noch heute gültig ist.

Bei Ablaufkühlung mit Kühlturm wird Kühlwasser aus einem Fließgewässer entnommen, im Kondensator erwärmt und dann im Kühlturm versprüht. Das nicht verdampfte und auf Ursprungstemperatur abgekühlte Wasser wird zurückgeführt, damit Salze und Verunreinigungen ausgeschwemmt werden. Bei Umlaufkühlung mit Kühlturm wird dagegen stets dasselbe Wasser verwendet; nur Verluste durch Verdampfung und Abflut werden ersetzt. Dieses Verfahren eignet sich bei geringem Kühlwasserangebot, führt aber zur Aufsalzung des Kühlwassers. Dagegen werden Chemikalien wie Phosphonsäure eingesetzt. Bei zu hohem Salzgehalt oder zu hoher Gesamthärte muss durch Abflut und Frischwasserzulauf verdünnt werden. Außerdem können Mikroorganismen wachsen; neben Fouling sind hygienische Probleme durch lungengängige Bakterien wie Legionella spec. und Pseudomonas aeruginosa zu beachten. Deshalb wird Kühlwasser auch mit Biozid und Bio-Dispergator behandelt.