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Wie ist das mit dem Wasser und Wasserdampf in thermischen Kraftwerken ?

Von Eberhard Wagner
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Eberhard.Wagner@energie-fakten.de, )Wagner

An die Energie-Fakten.de sind die nachstehenden Fragen gerichtet worden. Sie betreffen den Wasser-Dampf-Prozess in thermischen Kraftwerksanlagen. Die Fragen stehen im Zusammenhang. Das Thema berührt auch mehrere Beiträge von Autoren der Energie-Fakten.de, die bereits veröffentlicht wurden und weitergehende Zusammenhänge darlegen. Diese Titel der Beiträge sind am Ende aufgelistet.

Fragen 1

Warum wird der Dampf nach dem Durchgang durch die Turbine (sog. kaltes Ende) nicht wieder direkt in den Dampferzeuger zurück geleitet, sondern vorher kondensiert ?
Ist die Kondensation notwendig, um die Dampf-Temperatur am Turbinenende höchstmöglich zu reduzieren und somit die Stromerzeugung zu maximieren ?

Dampf kann nur dann durch eine Turbine strömen, wenn der Druck hinter der Turbine kleiner ist als vor der Turbine. Beim Durchströmen der Turbine wird die im Dampf gespeicherte Wärmeenergie weitgehend in Bewegungsenergie der Turbine umgewandelt. Die übertragene Energie ist dabei umso größer, je mehr Dampf durch die Turbine strömt und umso größer, je höher die Turbineneintrittstemperatur und je niedriger die Turbinenaustrittstemperatur ist. Dieses "nutzbare Temperaturgefälle" lässt sich grob mit der Nutzung eines Wassergefälles in einem Wasserkraftwerk vergleichen. Je höher es ist, desto mehr Leistung erzeugt das Kraftwerk. Allerdings ist zu beachten, dass Druck und Temperatur des Dampfes am Turbinenaustritt in einem festen Zusammenhang stehen (Sattdampfkurve). Beeinflusst man die eine Größe, ändert sich automatisch auch die andere Größe. Hält man den Druck am Turbinenaustritt auf Atmosphärendruck (1 bar), so beträgt die Austrittstemperatur des Dampfes 100 °C. Senkt man den Druck auf beispielsweise 0,03 bar (was ein typischer Wert für Turbinen ist), so beträgt die Dampfaustrittstemperatur nur etwa 24 °C. Im ersten Fall wird die im Dampf enthaltene Energiemenge bis auf 100 °C abgearbeitet, im zweiten Fall bis auf 24 °C. Die auf die Turbine übertragene Energie - und damit der Wirkungsgrad des Kraftwerkes - ist im zweiten Fall deutlich höher.

In der Praxis erreicht man beispielsweise 0,03 bar Druck am Turbinenaustritt, indem man den Dampf unmittelbar hinter der Turbine (im so genannten Kondensator) in flüssiges Wasser umwandelt, das ein sehr viel kleineres Volumen einnimmt als der Dampf. Und diese Kondensation des Dampfes bei den beispielsweise 0,03 bar wiederum erreicht man, indem man den Kondensator auf 24 °C abkühlt. Dann wandelt sich der Dampf automatisch in flüssiges Wasser um und die Dampfaustrittstemperatur sinkt zwangsweise auf ebenfalls 24 °C. Das Kraftwerk hat einen höheren Wirkungsgrad und damit ist die zweite Teilfrage klar mit einem "ja" beantwortet.

Die Kondensation ist also eine sinnvolle Maßnahme zur Erhöhung des Wirkungsgrades. Gleichzeitig lässt sich das so gebildete "flüssige" Wasser aber auch sehr viel leichter mittels Pumpen wieder auf hohen Druck bringen (neueste Anlagen erreichen um 220 bar), als das mit Wasser in Dampfform möglich wäre (Antwort auf die erste Teilfrage). Dieser hohe Druck ist aber erforderlich, damit das Wasser im Dampferzeuger wieder viel Energie aufnehmen kann.

Die im Kondensator erreichbare Minimaltemperatur liegt stets knapp oberhalb der Umgebungstemperatur. Im Winter ergeben sich daher geringere Temperaturen (und Drücke) als im Sommer. Somit ist der Gesamtwirkungsgrad der Anlagen im Winter generell höher als im Sommer.

Aber es gibt auch Turbinen ohne Kondensation. Diese werden als "Gegendruckturbinen" bezeichnet, weil bei ihnen der Dampf noch gegen einen erheblichen Druck austreten muss. Solche Anlagen gab es in der Frühzeit der Wärmkraftwerke generell (so genannte atmosphärische Dampfmaschinen), bis man gelernt hatte, durch Kondensation und Unterdruck den Wirkungsgrad zu erhöhen. Und es gibt sie auch heute noch, vor allem in der Industrie (Chemie), weil dort der bei entsprechend hoher Temperatur ausströmende Dampf in bestimmten Produktionsprozessen mehr Nutzen bringt, als wenn er weiter zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Man spricht auch von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.

Frage 2:

Durch die Kondensation wird doch im Prinzip die Verdampfungsenergie, die am Prozessanfang aufgebracht werden musste, über die "Abwärme" vergeudet. Das zurückgeführte Kondensat muss wieder verdampft werden. Wäre es energetisch nicht effizienter, die Verdampfungsenergie im Dampf zu belassen (Rückführung des Dampfes in den Dampferzeuger) und dafür eine höhere Dampfausgangstemperatur (kaltes Ende) zu akzeptieren ?

Eindeutig nein. In einem Wärmekraftwerk wird die vorher im Brennstoff in chemischer Form gespeicherte Energie zunächst durch Verbrennen in Wärmeenergie umgewandelt und diese wird dann in der Turbine in Bewegungsenergie (drehender Turbinenrotor) umgewandelt, bis schließlich im Generator die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine hohe Ausnutzung des eingesetzten Brennstoffes lässt sich nur erreichen, wenn einerseits eine hohe Temperatur (und Druck) des Dampfes beim Eintritt in die Turbine und andererseits eine möglichst tiefe Temperatur (und Druck) beim Austritt des Dampfes aus der Turbine erreicht werden (Gesetz von Carnot).

Die den thermischen Kraftwerken gemeinhin unterstellte "verschenkte" Energie durch Abwärme ist zwar rein rechnerisch mengenmäßig hoch, hat aber keinen praktischen Energie-Wert. Was der Mensch braucht, ist nämlich nicht Energie an sich, sondern für ihn nutzbare Energie. Und dazu zählt die Abwärme eines Kraftwerkes von im Winter etwa 15 Grad Celsius gerade nicht. Sie kann nicht sinnvoll z. B. zur Erwärmung von Wohnräumen genutzt (in nutzbare Energie, hier in Wohnraumwärme umgewandelt) werden. In der Fachsprache bezeichnet man den Teil einer Energie der in Nutzenergie umgewandelt werden kann als "Exergie". Je leichter bzw. vollständiger eine gegebene Energie in Nutzenergie umgewandelt werden kann, desto höher ist ihr Exergieanteil. Elektrischer Strom z. B. ist fast reine Exergie, während die Abwärme eines Kraftwerkes fast überhaupt keine Exergie enthält. Ihre Abgabe an die Umgebung bedeutet daher keinen gravierenden Verlust. Der nutzbare Anteil der Wärmeenergie, also ihr Exergieanteil, wird im Kraftwerk ohnehin fast vollkommen in Strom umgewandelt. Man kann ein Wärmekraftwerk auch als eine Anlage auffassen, die Wärmenergie in ihren nutzbaren Anteil (Exergie) und ihren nicht nutzbaren Anteil (zu dem die Fachleute "Anergie" sagen) aufteilt, wobei sie den nutzbaren Anteil in Strom umwandelt und den nicht nutzbaren Anteil an die Umgebung abgibt.

Die Prozessführung eines Wärmekraftwerkes, d. h. die Umformung von Wasser in Dampf, die Entspannung des Dampfes in der Turbine bis zur Kondensation im Kondensator und die Zurückführung des kondensierten Dampfes (Wasser) zur erneuten Verdampfung, ist in mehr als 100 Jahren technischer Entwicklung perfektioniert worden. So wird z. B. auch das kondensierte Wasser stufenweise durch Nutzung von Dampf mit unterschiedlichen Temperaturen wieder erwärmt, bevor es zurück in den Dampferzeuger gelangt. Das ist die sog. Speisewasservorwärmung. Sie trägt zur Wirkungsgraderhöhung bei.

Wesentliche Verbesserungen des Wasser-Dampf-Kreisprozesses sind nicht mehr zu erwarten. Während dem "kalten Ende" des Prozesses natürliche Grenzen gesetzt sind (Umgebungstemperatur), ist am Beginn des Prozesses eine Wirkungsgradsteigerung prinzipiell nur durch eine weitere Steigerung des Dampfzustandes (Temperatur und Druck) machbar. Dieser Steigerung sind jedoch durch die Dauerhaltbarkeit der infrage kommenden Werkstoffe Grenzen gesetzt. Auch sind diese Werkstoffe nicht mehr einfach zu handhaben. Weiterhin können bei einem "hoch gezüchteten" Kraftwerk vermehrt Einschränkungen der Anlagenverfügbarkeit eintreten. Ein technisch nicht verfügbares Kraftwerk ist aber wirtschaftlich schädlicher als ein Kraftwerk mit einem etwas geringeren Wirkungsgrad. Es wird zwar weiterhin eine allmähliche technische Weiterentwicklung geben, aber wohl keine großen Sprünge mehr.

Fragen 3:

Wenn ein thermisches Kraftwerk einen Wirkungsgrad von 45 % bezogen auf den sog. Heizwert (Hu) eines Brennstoffes besitzt, wodurch entsteht der Verlust von 55 % ? Sind das die Verluste im Dampferzeuger von 10 % und die nicht genutzte Verdampfungsenergie von 45 % ?

In einer Kraftwerksanlage treten an vielen Stellen Verluste auf. Z. B.

  • bei der Dampferzeugung durch Verbrennungsverluste, Wärmeverluste durch das Rauchgas und Verluste bei der Wärmeübertragung an Heizflächen und Wärmetauschern (auch im Kondensator),
  • in der Dampfturbine,
  • im Generator,
  • im Haupttransformator: Stromübertragung vom Kraftwerk (Generator) zum Hochspannungsnetz.

Auch der sog. Eigenbedarf der Anlage ist zu beachten. Z. B.

  • Kohlentransporte,
  • Kohlemühlen und Kohlenstaubeinblasung in den Brennraum,
  • Speisewasserpumpen,
  • Verbrennungsluftförderung,
  • Entaschung,
  • Kühlwasserförderung,
  • viele elektrische Antriebe,
  • Rauchgasreinigung mit der Gipsproduktion,
  • Überwachung, Steuerung, Beleuchtung etc.

Ein großer rechnerischer Verlustbetrag verbleibt bei der "Abwärme". Diese rein energetische Beurteilung des Prozesses wird aber - wie bereits gesagt - den naturgesetzlichen technischen Abläufen in einem Wasser-Dampf-Prozess in einem Kraftwerk nicht gerecht. Zielgerechter wäre es, die exergetischen Verluste innerhalb dieses Prozesses aufzuzeigen. Dies bedarf aber eines erheblichen "Ausfluges" in die Gesetze der Thermodynamik. Hierzu ist auf einschlägige Lehrbücher zu verweisen. In diesem Themen-Zusammenhang wird auf weitere Beiträge in den Energie-Fakten.de verwiesen:

Dieser Beitrag wurde am 22. Mai 2006 veröffentlicht.

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