Wärmekraftwerk

Grundfliessbild Dampfkraftwerk.png Ein Wärmekraftwerk ist ein Elektrizitätswerk, das Wärmeenergie in elektrische Energie umsetzt. Es wird auch kalorisches Kraftwerk genannt. Die Wärmeenergie wird zunächst in einer Kraftmaschine in nutzbare kinetische Energie umgewandelt und diese dann durch einen Generator in elektrische Energie, es finden also Energieumwandlungen statt.

Viele Wärmekraftwerke sind Dampfkraftwerke. Es gibt allerdings auch Kraftwerke, die keine Dampfturbinen oder nicht einmal einen Wasserkreislauf aufweisen, wie beispielsweise historische Kraftwerke mit Dampfmaschinen oder moderne Diesel-/Gasmotor- oder Gasturbinenkraftwerke. Ein gemeinsames Kennzeichen von heutigen Wärmekraftwerken sind die thermodynamischen Kreisläufe des Arbeitsmittels, die beim Dampfkraftwerk geschlossen und beim Gaskraftwerk offen sind.

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip ist stets folgendes:

Aus einer "Energiequelle" wird Wärme entzogen und in ein Arbeitsmittel wie beispielsweise Wasserdampf überführt.
In einer Wärmekraftmaschine wie beispielsweise einer Turbine wird ein kleinerer Teil der Wärme im Arbeitsmittel in mechanisch nutzbare Arbeit umgewandelt, beispielsweise dehnt sich das Arbeitsmittel gegen einen äußeren Druck aus.
Am Ende des Prozesses verlässt das Arbeitsmittel die Wärmekraftmaschine und gibt den Rest der nicht genutzten Wärme an die Umgebung ab.

Danach wiederholt sich der erste Schritt wieder; der Vorgang ist zyklisch. Ein großer Teil der Wärmeenergie im Arbeitsmittel geht an die Umgebung verloren oder wird durch Kühlung bewusst abgeführt.

Wärmequelle

Die meisten Wärmekraftwerke erzeugen die benötigte Wärme selbst, indem sie fossile Brennstoffe verbrennen oder die Abwärme von nuklearen Prozessen nutzen. Als natürliche Wärmequellen können die Erdwärme und die Sonnenstrahlung genutzt werden.

Wirkungsgrad

Theoretisch wird dieser zyklische Prozess in der Physik durch den Carnot-Prozess beschrieben. Die theoretische Betrachtung einer idealen Kraft-Wärme Maschine liefert das Ergebnis, dass der Wirkungsgrad selbst unter Vernachlässigung von Reibung, Wärmestrahlung und Wärmeleitung prinzipiell begrenzt ist. Wird die Abwärme nicht zum Heizen verwendet, liegt der Wirkungsgrad eines heutigen Kraftwerkes typischerweise zwischen 30% und 45%. Höhere Wirkungsgrade lassen sich in Systemen mit mehr als einer Turbine erzielen, jedoch ist der technische Aufwand entsprechend größer. Praktisch ausgeführt werden solche Anlagen beispielsweise in GuD-Kraftwerken.

Wesentlich höhere Wirkungsgrade lassen sich theoretisch nur mit Systemen erzielen, die eine direkte Umwandlung von Energiequellen in elektrische Energie erlauben:

chemisch -> elektrisch: Brennstoffzelle, wobei die Erzeugung der zugehörigen Brennstoffe den gleichen Restriktionen hinsichtlich des Wirkungsgrades unterliegt,
mechanisch -> elektrisch: Windenergieanlage, Wasserkraftwerk, Gezeitenkraftwerk
elektro-magnetisch -> elektrisch: Fotovoltaik

Faktoren für die praktische Nutzbarkeit

Neben dem Wirkungsgrad sind folgende Faktoren zu beachten:

Generelle verfügbare Energiemenge der primären Energiequelle
Erschliessbare Vorkommen
Kosten pro erzeugter Engergieeinheit
Technische Realisierbarkeit der Verbrennung
Umweltbelastung durch Emissionen, Abwärme oder ionisierende Strahlung
Betriebsrisiken

Wärmekraftwerk schematisch.png 2: Feuerung
3: Dampfturbine 4: Generator
5: Kondensator 6: Verbindende Rohrleitung]]

Kühlung

Viele Wärmekraftwerke nutzen zur Kühlung das Wasser vorbeifließender Flüsse. Es sind Grenzwerte festgelegt, um wieviel Grad Celsius bzw. auf welche Temperatur der Fluss maximal erwärmt werden darf. Dies kann im Sommer bei hoher Wassertemperatur zur Abschaltungen des Kraftwerks führen. Seit den Siebziger Jahren wurden sogenannte Wärmelastpläne eingerichtet, denen man die maximale Temperatur des Gewässers entnehmen kann. Eine weitere, auch kombinierbare Möglichkeit ist die Verwendung von Kühltürmen, über die die Abwärme abgegeben wird, sofern man sie nicht über die Kraft-Wärme-Kopplung zur Heizung benachbarter Wohnsiedlungen oder von Gewächshäusern nutzen kann.

Bedeutung

Wärmekraftwerke liefern heute einen Großteil (je nach Region 60% - 100%) der elektrischen Energie. Der Grund für diese monopolähnliche Stellung sind die sehr großen, leicht erschließbaren Energievorkommen in Form von fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Kohle und Erdgas sowie die jahrzehntelange Nutzung dieser Technologie. Die oben erwähnten alternativen Verfahren gewinnen aber stetig an Bedeutung, da die fossilen Vorkommen begrenzt sind.

Technische Realisierungen des Prinzips Wärmekraftwerk

Wärmeentnahme aus der Natur (siehe auch Regenerative Energie):

Wärmefreisetzung im Kraftwerk selber:
- Kernkraftwerk
  - Kernfusionskraftwerk
  - Kernspaltungskraftwerk (entspricht dem Kernkraftwerk)
- Kohlekraftwerk
- Ölkraftwerk
- Gasturbinenkraftwerk
- GuD-Kraftwerk
- Biomassekraftwerk
  - Holzhackschnitzelkraftwerk
Wärmeentnahme aus anderen technischen Prozessen:
- Abwärmekraftwerk
  - Müllheizkraftwerk

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