Arti­kel­se­rie “Ener­gie­wen­de – muss das sein?”: 10. Kraft­wer­ke – der Dampf­kreis­lauf

Foto: Uberprutser, CC-BY-SA-3.0-nl

Foto: Uberprut­ser, CC-BY-SA‑3.0‑nl

Dampf­kraft­wer­ke kön­nen die ther­mi­sche Ener­gie der Brenn­stof­fe nur sehr ver­lust­reich in mecha­ni­sche Ener­gie zum Antrieb der Gene­ra­to­ren umset­zen. Abge­se­hen, von den Wär­me­ver­lu­sten, die bereits über die hei­ßen Abga­se durch den Schorn­stein ent­wei­chen, liegt das Pro­blem im sog. Dampf­kreis­lauf. Die­ser beinhal­tet die Ver­damp­fung von Was­ser im Dampf­kes­sel, die Spei­che­rung von Ener­gie im sog. Heiß­dampf, die Umset­zung die­ser Ener­gie in mecha­ni­sche Ener­gie in der Tur­bi­ne und danach die Rück­küh­lung. Der Dampf muss wie­der zu flüs­si­gem Was­ser abge­kühlt wer­den, denn nur das ist zum Rück­pum­pen in den Dampf­kes­sel geeig­net. Die­sen Kreis­pro­zess wol­len wir uns mit einem klei­nen Zah­len­bei­spiel ver­deut­li­chen.

Die Spei­che­rung von Ener­gie im Heiß­dampf läuft prin­zi­pi­ell in 3 Pha­sen ab:

  1. Erwär­mung des Was­sers auf Sie­de­tem­pe­ra­tur 100°C (bei nor­ma­lem Luft­druck); bei einer Aus­gangs­tem­pe­ra­tur von 20°C benö­tigt man für 1 kg (1 Liter) Was­ser die Ener­gie von 0,102 kWh.
  2. Die kom­plet­te Ver­damp­fung die­ser Was­ser­men­ge benö­tigt 0,627 kWh. Die Tem­pe­ra­tur bleibt bei die­sem Vor­gang kon­stant 100°C, jedoch steigt der Druck im Dampf­kes­sel (Nass­dampf­pha­se).
  3. Das wei­te­re Auf­hei­zen des Damp­fes auf die Ein­tritts-Betriebs­tem­pe­ra­tur für die Tur­bi­ne. Benö­tig­te Ener­gie für eine Heiß­dampf­tem­pe­ra­tur: von 350°C > 0,139 kWh; von 600°C > 0,278 kWh. Je höher die Tem­pe­ra­tur, umso höher auch der Druck.

Die­ser Heiß­dampf strömt durch die Tur­bi­ne. Dabei lau­fen die 3 Pha­sen rück­wärts ab. Der Dampf gibt sei­ne Ener­gie an die Tur­bi­ne ab, die­se gewinnt an mecha­ni­scher Ener­gie, der Dampf ver­liert an Druck und Tem­pe­ra­tur. Es darf aber nicht soweit kom­men, dass der Dampf bereits in der Tur­bi­ne zu Was­ser­trop­fen kon­den­siert, also Pha­se 2. Im Nie­der­druck­teil der Tur­bi­ne errei­chen die Tur­bi­nen­schau­feln Umfangs­ge­schwin­dig­kei­ten bis zu 500 m/​s, das ist 1,5‑fache Schall­ge­schwin­dig­keit. Der Zusam­men­prall mit klein­sten Was­ser­trop­fen wür­de zur Ero­si­on und Zer­stö­rung der Tur­bi­ne füh­ren. Im Prin­zip kann also nur die Ener­gie der Pha­se 3 genutzt wer­den. Das sind bei 350°C ca. 18%, bei 600°C ca. 31% der gesam­ten auf­ge­wen­de­ten Ener­gie.

Die Tem­pe­ra­tu­ren im Bei­spiel sind nicht will­kür­lich gewählt. 350°C ist die maxi­ma­le Dampf­tem­pe­ra­tur für Kern­kraft­wer­ke aus mate­ri­al­tech­ni­schen Grün­den. Ca. 600°C ist die beherrsch­ba­re Grenz­tem­pe­ra­tur bei fos­sil beheiz­ten Kraft­wer­ken. Hier­aus erklärt sich der Unter­schied in den Wir­kungs­gra­den der Tabel­le des vori­gen Arti­kels. Die oben geschil­der­ten 3 Pha­sen sind druck­ab­hän­gig. Dies gibt tech­nisch die Mög­lich­keit, durch Steue­rung der Drücke – hoher Druck beim Tur­bi­nen­ein­tritt, Unter­druck beim Tur­bi­nen­aus­tritt – auch noch einen Teil der Ener­gie der Pha­se 2 zu nut­zen. Damit wer­den dann die Wir­kungs­gra­de der Tabel­le in Kapi­tel 9 erreicht, aber auch die phy­si­ka­lisch mög­li­chen Grenz­wer­te.

Doch wohin mit dem Rest der Ener­gie? Dies sind immer noch knapp 60% der Heiz­ener­gie. Die Absatz­mög­lich­kei­ten als Wär­me­en­er­gie sind nur ein­ge­schränkt gege­ben. Man kann sie nur in die Umwelt ent­las­sen. Bei die­sen Ener­gie­men­gen gibt es tech­nisch nur zwei prak­ti­ka­ble Mög­lich­kei­ten: Ablei­tung in Fluss­was­ser, oder über die bekann­ten Kühl­tür­me in die Atmo­sphä­re. Das erste heizt den Fluss auf, mit der Fol­ge, dass im Som­mer schon mal die Lei­stung die­ses Kraft­wer­kes dra­stisch redu­ziert wer­den muss, damit der Fluss nicht öko­lo­gisch umkippt. Im zwei­ten Fall wird das Klein­kli­ma der nähe­ren Umge­bung beein­flusst.

Ver­tie­fen­de Lite­ra­tur­hin­wei­se:

www​.Wiki​pe​dia​.de; Such­wor­te: Wär­me­kraft­werk, Dampf­tur­bi­ne, Car­not-Pro­zess, Clau­si­us-Ran­ki­ne-Kreis­pro­zess

www​.wis​sen​schaft​-tech​nik​-ethik​.de/​w​a​s​s​e​r​_​e​n​e​r​g​i​e​.​h​t​m​l​#​k​a​p02

Als näch­stes betrach­ten wir die ande­ren Kraft­wer­ke und Stör­fäl­le in dem Ver­bund Kraft­wer­ke – Strom­netz.

Die­ter Lenz­kes
Bür­ger-für-Bür­ger-Ener­gie
www​.bfb​-ener​gie​.de

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