Wärmekraftwerke zur Erzeugung
von Elektroenergie
Wärmekraftwerke sind große, komplizierte und komplexe Anlagen,
in denen vielfältige Prozesse der Energieumwandlung und -übertragung
vor sich gehen. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Wärmekraftwerkes
sowie die wichtigsten Energieumwandlungen in ihm.
Aufbau und Wirkungsweise
Die wichtigsten Bestandteile eines Wärmekraftwerkes sind ein Dampferzeuger,
eine Turbine, ein Generator und Transformatoren. Darüber hinaus sind
Kondensator und Kühlturm (Kühleinrichtung) erforderlich (Bild
2).
Im Dampferzeuger wird durch
Verbrennung von Kohle, Heizöl, Erdgas oder Müll Wasser verdampft
und unter hohen Druck gesetzt. Es wird chemische Energie der Brennstoffe
in thermische Energie des Dampfes umgewandelt. Der heiße Dampf steht
unter einem Druck von ca. 200 Bar und hat eine Temperatur zwischen 400
°C und 600 °C. Dieser Dampf wird über Düsen auf die
Schaufeln einer Turbine geleitet.
Dort wird die thermische Energie des Dampfes in eine Rotationsbewegung,
also in kinetische Energie des Läufers der Turbine, umgewandelt.
Bei großen Turbinen beträgt die Drehzahl 3 000 Umdrehungen
in der Minute.
Der Dampf, der die Turbine verlässt, gelangt in einen Kondensator,
wird dort weiter abgekühlt und wieder zu Wasser, das erneut in den
Kreislauf gelangt.
Um die Abkühlung des Dampfes zu gewährleisten, ist in der Regel
ein Kühlkreislauf vorhanden, der einen Kühlturm
oder eine andere Kühleinrichtung einschließt.
Der Läufer der Turbine ist über eine Welle mit dem Rotor des
Generators verbunden. Durch
diese Welle wird die Rotationsenergie des Turbinenläufers auf den
Generator übertragen. Dort erfolgt durch elektromagnetische Induktion
die Umwandlung in elektrische Energie. Großgeneratoren
liefern Spannungen von ca. 20 000 V bei Stromstärken von bis zu 25
000 A, also Leistungen bis etwa 500 MW.
Bei einer direkten Einspeisung in das Stromverbundnetz
würden durch die Stromwärme bei großen Stromstärken
hohe Verluste auftreten. Deshalb vergrößert man für den
Transport in Fernleitungen die Spannung durch Transformatoren
auf 380 kV und verringert damit die Stromstärke bei 500 MW übertragener
Leistung auf etwa 1 300 A.
Diese Art von Kraftwerken, die nur der Stromerzeugung dienen, haben einen
Wirkungsgrad von bis zu 40 %.
Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung
Die wichtigste Art dieser Kraftwerke sind Blockheizkraftwerke.
In ihnen wird Strom erzeugt und zugleich die entstehende Abwärme
genutzt (Bild 4).
Kernstück solcher Anlagen sind Motoren, die meist mit Gas betrieben
werden und über einen gekoppelten Generator elektrische Energie erzeugen.
Parallel dazu wird mit dem Kühlwasser des Motors Wärme entzogen
und über einen Wärmetauscher an Heizungsanlagen weitergegeben.
Dieses Prinzip wird in der Technik als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Solche Anlagen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 85 %, wobei die Anteile von Wärme und elektrischer Energie recht unterschiedlich sein können. Genutzt werden Blockheizkraftwerke vor allem dort, wo über das gesamte Jahr hinweg ein hoher Strom- und Wärmebedarf besteht (Krankenhäuser, Betriebe).
Vorteile und Nachteile von Wärmekraftwerken
Der Vorteil
von Wärmekraftwerken besteht darin, dass einheimische Primärenergieträger
genutzt werden können und diese Energieträger auch noch über
Jahrzehnte hinweg verfügbar sind.
Entscheidender Nachteil
von Wärmekraftwerken sind die beim Verbrennen fossiler Brennstoffe
auftretenden Umweltbelastungen,
die sich zwar reduzieren, aber nicht beseitigen lassen.
Zu diesen Umweltbelastungen gehören die Belastungen durch Staub,
die bei der Verbrennung auftretenden Stickoxide 
und Schwefeldioxid 
sowie
Kohlenstoffdioxid 
,
das entscheidenden Einfluss auf den zusätzlichen
Treibhauseffekt auf der Erde hat. Kraftwerke und Heizkraftwerke
haben in Deutschland einen Anteil von ca. 40 % am Kohlenstoffdioxid-Ausstoß,
der insgesamt etwa 900 Mio. Tonnen im Jahr beträgt.