Kraftwerk
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Ein Kraftwerk ist eine industrietechnische Anlage zur Bereitstellung von elektrischer und teilweise zusätzlich thermischer Leistung.
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[Bearbeiten] Wirtschaftliche Bedeutung
Kraftwerke besitzen eine erhebliche technische Komplexität und haben einen entscheidenden Einfluss auf das Funktionieren einer Volkswirtschaft. In ihnen ist ein großer Teil des volkswirtschaftlichen Vermögens eines Staates gebunden, ihnen kommt zudem eine erhebliche Bedeutung im Verbrauch wirtschaftlicher und ökologischer Ressourcen zu. Die Bedeutung der Kraftwerke wird in der Europäischen Union in den nächsten Jahrzehnten zunehmen, seriöse Studien prognostizieren eine Steigerung der Stromerzeugung innerhalb der EU von 2.898 Terawattstunden (TWh) im Jahre 2000 auf 3.988 TWh im Jahre 2020. In analoger Weise werden die weltweiten Zuwächse für den gleichen Zeitraum von 15.400 auf 28.000 TWh angegeben.
Die Investitionen für ein Kraftwerk sind erheblich. Beispielsweise rechnet man für ein modernes Kohlekraftwerk mit etwa 800 € pro installiertem Kilowatt elektrischer Leistung. Für einen Kraftwerksblock mit einer Leistung von 600 Megawatt sind danach Baukosten von 480 Millionen Euro anzusetzen.
In industriepolitischer Sicht kommt Kraftwerken ebenso eine besondere Bedeutung zu, da sich die Produzenten von Kraftwerkskomponenten einem weltweiten Wettbewerb zu stellen haben. Ihr heimischer Markt ist daher sehr klein, die weitaus größten Umsätze erwirtschaften diese Unternehmen auf dem Weltmarkt. Aus diesem Grund ist es notwendig, der einheimischen Industrie im eigenen Land Kraftwerke für die Referenz im internationalen Geschäft errichten zu lassen.
[Bearbeiten] Physikalische Grundlagen
Energie wird umgewandelt durch technische Prozesse oder gesammelt durch biologische, chemische oder physikalische Prozesse. Bei jeder Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform geht Energie als Eigenverbrauch eines solchen Prozesses bei der Umwandlung unwiederbringlich verloren. Diese verlorene Energie, technisch als Entropie bezeichnet, kann durch keinen anderen Prozess wieder eingefangen werden.
[Bearbeiten] Wirkungsgrad
Das Verhältnis von eingesetzter Energiemenge zu verfügbarer umgesetzter Energiemenge wird Wirkungsgrad genannt. Beispiele für schlechte Wirkungsgrade geben offene Feuerstellen oder Umwandlungsprozesse, die mit wenig effektiven Vorbereitungs- oder Nebeneinrichtungen arbeiten.
Der Wirkungsgrad eines modernen fossilen Kraftwerks liegt zwischen 40 % und 50 %, wenn die Energie in mehreren gekoppelten Prozessen umgesetzt wird.
In letzter Zeit diskutierte so genannte „CO2-freie“ Verbrennung ist solch ein Beispiel. Für das Verpressen von CO2 in poröses Gestein wird etwa 10 % der eingesetzten Energie allein für die Bindung der Verbrennungsgase vergeudet. Damit sinkt der Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerks von ca. 40 % auf schließlich nur noch 30 %. Das begründet die Botschaft, „CO2-freie“ Verbrennung erfordere noch weitere Forschung.
Wird die auf Grund des geringen Wirkungsgrades des Carnot-Prozesses unvermeidliche und erhebliche Abwärme teilweise weiter verwendet (zum Beispiel als Fernwärme oder als Prozesswärme), so spricht man von einer Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerk). Geschieht das nicht, so spricht man von Abfallwärme oder physikalisch von Entropie, die beispielsweise völlig ungenutzt durch Kühltürme entweicht.
[Bearbeiten] Technische Verfahren
Elektrische Arbeit oder Energie (Leistung x Zeit) kann auf mehrere Arten aus anderen Energieformen freigesetzt und bereitgestellt werden:
- Mechanische Energie in Form von Kinetischer Energie wird über eine Turbine in Rotationsenergie und dann durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt.
- Thermische Energie wird normalerweise zuerst durch eine Wärmekraftmaschine in mechanische Energie und anschließend mittels eines Generators in elektrische Energie umgeformt. Nur in bei sehr geringen Leistungen wird in Radioisotopengeneratoren die thermische Energie ohne Umweg in elektrische Energie umgewandelt.
- Spezielle Energieformen werden direkt in elektrische Energie (Beispiel Solarzellen, Brennstoffzellen) umgewandelt.
Anlagen, die nur der Bereitstellung von Prozessdampf oder Heizenergie – im allgemeinen Sprachgebrauch auch schlicht Wärme genannt – dienen, werden Heizwerke genannt. Konventionelle Wärmekraftwerke wandeln die gespeicherte chemische Energie von vorwiegend nicht-erneuerbaren Brennstoffen in Wärme und dann in Elektrizität um, während so genannte regenerative Energie in Wasserkraftwerken, Sonnenkraftwerken, Windkraftwerken oder Biomassekraftwerken verwendet wird.
Die Funktion aller modernen Kraftwerke basiert auf dem gleichen Wirkungsprinzip:
- Eine Kraftmaschine liefert durch Umwandlung von Primärenergie eine Nutzenergie. Die Kraftmaschine ist meistens eine Turbine, kann aber auch ein Wasserrad, ein Verbrennungsmotor oder der Rotor einer Windkraftanlage sein.
- Die Kraftmaschine ist über eine Welle an einen Generator gekuppelt, der elektrischen Strom als Energieträger liefert.
Zu einem Kraftwerk gehören eine Reihe von Komponenten:
- Der Maschinentransformator formt die im Generator induzierte Spannung in Hochspannung um, da dieselbe Leistung bei höherer Spannung und somit kleinerem Strom verlustärmer im Stromnetz transportiert werden kann als bei niedrigerer Spannung.
- Im Leitstand laufen alle für den Betrieb des Kraftwerkes notwendigen Messwerte zusammen, von dort aus werden die Anlagenteile des Kraftwerkes wie Armaturen, Pumpen und diverse Hilfsantriebe gesteuert und geregelt sowie die Sicherheitseinrichtungen überwacht,
- An allen Teilen des Kraftwerkes sind Komponenten wie Brandschutzeinrichtungen, Sicherungen und Sicherheitsventile untergebracht, die den sicheren Betrieb gewährleisten und bei Störungen eingreifen,
- In Dampfkraftwerken kommen als wichtige Komponenten Dampfkessel, Dampfturbine, Generator, Kondensator, Maschinenhaus, Rauchgasentstickung, Rauchgasentschwefelung, Wasseraufbereitung, Kühlturm, Entaschung (bei Kohle als Brennstoff), Schornstein, Speisepumpe und Rohrleitungen hinzu.
- In Wasserkraftwerken bestehen die wichtigsten Komponenten aus Maschinenhaus, Treibgutrechen, Wasserturbine, Generator, Wehr oder Staudamm, bei Speicherkraftwerken kommen noch Rohrleitungen und Wasserschloss hinzu.
Alle diese Komponenten werden mit dem Kraftwerk-Kennzeichensystem erfasst und dokumentiert. Dies erleichtert die eindeutige Zuordnung und Benennung der Bauteile und hat sich international durchgesetzt.
In allen heute im großtechnischen Einsatz befindlichen Kraftwerkstypen in Europa wird die elektrische Energie in Form von Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz bereitgestellt. Allerdings haben in Deutschland, Österreich und der Schweiz manche Kraftwerke noch einen zweiten Generator für Bahnstrom (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz), wobei es auch Kraftwerke gibt, die nur Bahnstrom erzeugen (Bahnkraftwerke). In anderen Gegenden der Welt (überwiegend in Amerika) wird eine Frequenz von 60 Hertz verwendet. Für die Ankopplung von Windparks kann es mitunter sinnvoll sein, zur besseren Ausregelung der Lastspitzen die Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) anzuwenden.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist ihre Fähigkeit zum Schnellstart und damit zum Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz. Gasturbinenkraftwerke und bestimmte Typen von Wasserkraftwerken können innerhalb weniger Minuten aus dem Stillstand heraus ihre volle Leistung ins Stromnetz abliefern, Dampfkraftwerke benötigen für diesen Vorgang einige Stunden, Kernkraftwerke benötigen einige Tage. Aus diesem Grunde werden die letztgenannten in erster Linie zur Deckung der Grundlast herangezogen, während Gasturbinen- und Wasserkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke) häufig die Spitzenlast im Netz übernehmen.
[Bearbeiten] Standortwahl
Der Standortwahl kommt beim Bau von Kraftwerken eine große Bedeutung zu.
Thermische Kraftwerke werden häufig in der Nähe von Ballungszentren mit hohem Stromverbrauch gebaut, weil lange Stromleitungen auf Grund des damit verbundenen elektrischen Widerstands einen hohen Spannungsabfall verursachen und dadurch Verluste auftreten. Andererseits werden besonders Braunkohlekraftwerke wegen der Transportkosten des Brennstoffs meist in der Nähe von Tagebauen errichtet.
Standorte in der Nähe großer Gewässer werden bevorzugt, um eine leichte Kühlwasserentnahme zu ermöglichen und das erwärmte Wasser wieder in das Gewässer einspeisen zu können. Ein schiffbares Gewässer begünstigt die Anlieferung von Brennstoffen und schweren Anlagenkomponenten. Wegen Belästigungen durch Lärm und Abgase sowie aus Gründen der Leitungsführung werden größere Kraftwerke üblicherweise nicht in unmittelbarer Nähe von Wohnsiedlungen errichtet.
Wasserkraftwerke müssen dort errichtet werden, wo sich Flüsse entweder gut aufstauen lassen oder wo ein großes natürliches Gefälle vorhanden ist. Für letzteres ist das Kraftwerk Walchensee ein gutes Beispiel.
Windkraftwerke können prinzipiell auf jedem freiem Feld aufgestellt werden, da zu ihnen nur selten Materiallieferungen nötig sind, und da sie wegen ihrer geringen Leistung den erzeugten Strom ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen. Allerdings müssen wegen der Geräuschbelästigung ein Abstand von mehreren hundert Metern zu permanent bewohnten Häusern eingehalten werden. Der Standort einer Windkraftanlage muss über eine gute Standfestigkeit verfügen, da Windkraftanlagen schwer sind und bei starken Winden großen Belastungen standhalten müssen.
[Bearbeiten] Kulturelle Bedeutung
Manche Kraftwerke aus der Pionierzeit der Elektrifizierung sind heute noch voll betriebene technische Denkmäler. Das Walchenseekraftwerk war früher das Wahrzeichen des Bayernwerks. Manche Kraftwerksbauten wurden unter künstlerischen Gesichtspunkten entworfen oder wurden im Rahmen von Kunstprojekten verziert. Ein prominentes Beispiel dieser Art ist das Kraftwerk Heimbach, das im Jugendstil entworfen wurde.
[Bearbeiten] Bauarten von Kraftwerken
| Kraftwerkstyp | Bruttoleistung in MW | %-Anteil | Wirkungsgrad1 | Erntefaktor |
|---|---|---|---|---|
| Steinkohlekraftwerke | 26.661 | 21,875 % | ca. 45 % | 0,40–0,45 |
| Kernkraftwerke | 21.346 | 17,514 % | ca. 45 % | 0,30–0,35 |
| Gasturbinenkraftwerke | 20.235 | 16,602 % | ca. 45 % | 0,40–0,45 |
| Braunkohlekraftwerke | 19.981 | 16,394 % | ca. 40 % | 0,30–0,40 |
| Windkraftanlagen | 18.428 | 15,120 % | bis 50 % | 10–50 |
| Wasserkraftwerke | 8.763 | 7,189 % | n. def. | 40–200 |
| Sonstige Kraftwerke | 6.464 | 5,303 % | n. def. | n. def. |
| Gesamt | 121.878 | (gerundet) 100 % | n. def. | n. def. |
1 Die angegebenen Wirkungsgrade beziehen sich auf das Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie zur eingesetzten Energie. Im Fall einer zusätzlichen Wärmeauskopplung können bei den vier erstgenannten Arten zum Teil Nutzungsgrade bis zu 80 % erreicht werden.
Die folgenden Arten von Kraftwerken sind heute im Gebrauch:
- Wasserkraftwerk
- Speicherkraftwerk mit Stauseen
- Laufwasserkraftwerk
- Pumpspeicherkraftwerke
- Kavernenkraftwerk (manchmal in Kombination mit Pumpspeicherkraftwerk)
- Meereskraftwerk
- Windkraftanlage
- Solarkraftwerk
- Photovoltaikanlage, im eigentlichen Wortlaut kein Kraftwerk
- Solarthermisches Kraftwerk (Sonnenwärmekraftwerk)
- Druckluftspeicherkraftwerk
- Thermisches Kraftwerk (Wärmekraftwerk)
- Dampfkraftwerk mit fossilen Brennstoffen:
- Dampfkraftwerk mit sonstigen Brennstoffen:
- Biomassekraftwerk
- Müllverbrennungsanlage
- EBS-Kraftwerk (Kraftwerk für Ersatzbrennstoffe)
- Klärschlammverbrennungsanlage
- Geothermiekraftwerk
- Kernkraftwerk
- Gasturbinenkraftwerk
- GuD-Kraftwerk/Kombi-Kraftwerk, in dem die elektrische Energie sowohl durch Gas- als auch durch Dampfturbosätze erzeugt wird
- Verbrennungsmotoren-Kraftwerk
- Dieselmotor
- Gasmotoren
- Erdgas
- Biogas
- Deponiegas
- Klärgas
- Grubengas
- Raffineriegase
Noch im experimentellen Stadium hinsichtlich der physikalischen Grundlagen sind:
- Kernkraftwerke mit Kernfusionsreaktor
- Kraftwerke mit magnetohydrodynamischen Generator
[Bearbeiten] Vor- und Nachteile
Jeder Kraftwerktyp hat Vor- und Nachteile. Berücksichtigt werden müssen jeweils Fragen wie:
- Verfügbarkeit und Preis des Rohstoffs
- Energieausbeute (Wirkungsgrad, Energieerntefaktor)
- Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Kraftwerktyps
- Wie kurzfristig ist das Anfahren möglich und wie hoch ist der maximale Gradient (Änderungsrate) der Leistung
- Umweltschutz (Abfälle, Luftverschmutzung)
- Landschaftsschutz
- Bevölkerungsschutz
- Baukosten
- Bauzeit
- Weitere Nutzungen des Kraftwerks (Prozesswärme, Bewässerung, Hochwasserschutz, Fernwärme)
[Bearbeiten] Siehe auch
- Energietechnik
- Liste der Kraftwerke
- Liste der größten Stromproduzenten
- Liste europäischer Kraftwerke nach Emission
- Kraftwerksmanagement
- Schattenkraftwerk
- Portal:Energie
[Bearbeiten] Literatur
- Fachzeitschrift BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft), herausgegeben vom VDI
