mini|Naturzugkühlturm des Kernkraftwerks Philippsburg mit Ablauf mini|Ventilatorkühltürme (links, Höhe 34 Meter) und Naturzugkühlturm (rechts, Höhe 122 Meter) im Größenvergleich im Kraftwerk Westfalen mini|Hybridkühlturm des Kraftwerkblocks Altbach 2 mini|Zellenkühler (3 kompakte Ventilatorkühltürme als Block kombiniert) mini|Naturzug-Nasskühlturm des Kraftwerks Lippendorf im Betrieb mini|Die Wolken aus den Kühltürmen der Kraftwerke Frimmersdorf (links), Neurath (Mitte) und Niederaußem (rechts) über der Wolkenschicht mini|Kühlturm Kraftwerk Zschornewitz mini|Kühlturm (links) ohne Farbanstrich mit starken Verwitterungsspuren durch Moose sowie Rauchgase, rechts daneben ein neuerer Kühlturm mit grauer Farbgestaltung mini|Kühlturm in Dresden (Versuch, den Kühlturm mittels Farbgestaltung ins Landschaftsbild zu integrieren)
Ein Kühlturm (auch Rückkühlwerk) ist eine Anlage, die mittels eines Wärmeübertragers überschüssige oder technisch nicht mehr nutzbare Wärme aus Kraftwerks- oder Industrieprozessen abführt.
Bauformen Naturzug-Kühlturm
Naturzug-Kühltürme sind meist als Schalentragwerke aus Beton errichtet und haben im Prinzip die Form von Rotationshyperboloiden, zuerst ausgeführt in den Niederlanden von Frederik van Iterson (1915). Hierbei ist diese geometrische Form aber nur bis zu etwa einem Viertel der oberen Hälfte des Hyperboloids ausgeführt, der obere Rand hat deshalb einen deutlich kleineren Durchmesser als der untere Rand. Bei dieser Form handelt es sich um eine Regelfläche, die einfach mit gekreuzten geraden Stahlträgern aufgebaut werden kann, wodurch die Baukosten gegenüber anderen Formen gesenkt werden. Die Aussteifung der Schale erfolgt über den oberen und unteren Ring.
Solche Kühltürme werden inzwischen in Höhen bis zu 200 m ab Geländeoberkante errichtet (Kraftwerk Niederaußem) und haben eine Mindestwanddicke von 16 cm nach alter Vorschrift. Aufgrund der Novellierung der Normengeneration DIN 1045 (Tragwerke aus Beton, Stahlbeton usw.) und DIN 1055 (Lastannahmen) im Jahr 2005 werden inzwischen Mindestwandstärken von 18 cm gefordert..
Trotz der teilweise gewaltigen Dimensionen sind Kühltürme aus Stahlbeton vergleichsweise filigrane Betonbauwerke. Bei einer Bauhöhe von 200 m hat der Kühlturm in Niederaußem eine Wandstärke von weniger als 30 cm. Vergleicht man die Proportionen, so ist die Wandstärke etwa nur ein Fünftel so dick wie die eines Hühnereies. Aus diesem Grund erhält ein Kühlturm in der Regel einen anspruchsvollen Oberflächenschutz. Dies ist vor allem dann erforderlich, wenn durch Rauchgaseinleitung der Beton chemischen Belastungen ausgesetzt wird. Alternativ werden beim Bau besondere Betonrezepturen verwendet, die dem Kühlturm dauerhaft die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen die chemischen Belastungen geben sollen, so dass kein gesonderter Oberflächenschutz aufgebracht werden muss.
Aber auch bei konventionellen Kühltürmen gibt es erhebliche Belastungen zum Beispiel durch Algenbewuchs. Die biogenen Folgeprodukte von Algen greifen den Beton an. Sterben die Algen ab, so schrumpfen sie und reißen durch ihre intensive Haftung die Betonfläche auf.
Naturzug-Kühlturm mit kombinierter Nutzung als Schornstein (Reingaseinleitung)
mini|Kraftwerk Duisburg-Walsum, Altblock 9 (links mit Einzelschornstein) und Neubau Block 10 (rechts): Kühlturm mit integriertem Schornstein im laufenden Betrieb (Höhe 181 Meter) mini|Abgasrohr/Rauchgasrohr im Kühlturm mini|Kraftwerk Duisburg-Walsum, Neubau Block 10; Kesselhaus und Kühlturm mit integriertem Schornstein (Höhe 181 Meter), im unteren Drittel ist das Rauchgasrohr am Kühlturm außen sichtbar mini|Blick in einen nicht mehr im Betrieb befindlichen Kühlturm bei Doncaster (South Yorkshire, England) mini|Dampfentwicklung am Kühlturm und Kesselhaus Walsum: Block 10
Die Aufgabe eines klassischen Kühlturms ist allein die Abgabe von Wärmeenergie. Das ist ein rein physikalischer Prozess. Der Kühlturm übernimmt hierbei nicht die Funktion eines Schornsteins, der bei technischen Verbrennungsprozessen erforderlich ist.
Bei einigen in den letzten Jahren gebauten Kohlekraftwerken, die mit Rauchgasreinigungsanlage ausgerüstet sein müssen, übernimmt der Kühlturm auch die Funktion des Schornsteins. Bei diesem Verfahren wird auf ca. einem Drittel der Kühlturmhöhe (über der Verrieselungsebene) das Rauchgas in die Kühlturmmitte geführt und dort in die Dampfschwaden abgegeben.
Der Vorteil dieser in Deutschland erstmals 1982 im Modellkraftwerk VölklingenKraftwerk Völklingen/Fenne auf power-saar.steag-saarenergie.de. angewandten Technik (Reingaseinleitung) besteht darin, dass die erwärmte und feuchte Abluft des Kühlturms einen wesentlich stärkeren Auftrieb bietet als das Rauchgas. Hierdurch kann eine Verteilung der Abgasfahne mit geringerer Bauhöhe erreicht werden als bei einem konventionellen Schornstein. Dies ist besonders bei Kohlekraftwerken von Vorteil, weil die Abgase nach der nassen Wäsche in der Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) stark abgekühlt sind und nur noch einen geringen Auftrieb haben.
Die Nachteile dieser Technik liegen unter anderem in der unverhältnismäßig großen Dimension des kombinierten Kühlturms; die realisierte Mindesthöhe liegt bei 100 m (Modellkraftwerk Völklingen, Baujahr 1982), allerdings wurden in den letzten Jahren ausschließlich Türme zwischen 155 m und 200 m Höhe gebaut, um eine höhere Kühlleistung zu erreichen. Gerade bei angrenzender Wohnbebauung, wie zum Beispiel in den Städten Datteln und Duisburg-Walsum, wurden die neuen Blöcke mit den kombinierten Kühltürmen zur Rauchgasableitung als neuer Block an bestehende Anlagen gebaut. Teilweise gab es an diesen Altstandorten vorher keinen Kühlturm, da die Wärme anders abgeleitet wurde (zum Beispiel über Gewässer); das Rauchgas wurde über konventionelle Schornsteine abgeleitet. Nun kommt es an diesen Standorten durch den Turm und die im Betrieb entstehenden Dampfschwaden zu unerwünschten Auswirkungen auf das Mikroklima, zum Beispiel lokal erhöhte Niederschlagsmengen und großflächige Verschattungen.
Um diese Nachteile zu vermeiden, kam es nach Bürgerprotesten teilweise zu Planungsänderungen. So wurde beim Kohlekraftwerk Moorburg in Hamburg die ursprüngliche Planung eines Naturzug-Kühlturms mit kombinierter Nutzung als Schornstein geändert. Die realisierte Planung beinhaltet einen niedrigen Hybridkühlturm (Höhe 65 m). Aufgrund der aufwendigen Rauchgasreinigung kann auch auf einen sehr hohen Schornstein verzichtet werden. Der neue konventionelle Schornstein hatte eine Höhe von 130 m. und wurde, nachdem das Kraftwerk im Juli 2021 abgeschaltet wurde, am 10. November gesprengt.
Turmhöhe Kraftwerke mit Kühlturmnutzung als Schornstein Brennstoff 100 m Kraftwerk Völklingen/Fenne (Blöcke HKV & MKV) Steinkohle 110 m Kraftwerk Frimmersdorf (Block Q) Braunkohle 120 m Kraftwerk Jänschwalde (Blöcke A–F) Braunkohle 128 m Kraftwerk Niederaußem (Blöcke G & H) Braunkohle 135 m Kraftwerk Quierschied/Weiher (Block Weiher III) Steinkohle 141 m Kraftwerk Schwarze Pumpe (Blöcke A & B) Braunkohle 141 m Kraftwerk Staudinger (Block 5) Steinkohle 141,5 m Kraftwerk Rostock (Monoblock-Kraftwerk) Steinkohle 155 m Kraftwerk Boxberg (Block R) Braunkohle 160 m Kraftwerk Lünen (Block Lünen-Stummhafen) Steinkohle 165 m Kraftwerk Westfalen (Blöcke D & E)atominfo.ru Steinkohle 172 m Kraftwerk Neurath (Blöcke F & G) Braunkohle 174,5 m Kraftwerk Lippendorf (Blöcke R & S) Braunkohle 180 m Kraftwerk Datteln (Block 4) Steinkohle 181 m Kraftwerk Duisburg-Walsum (Block 10) Steinkohle 200 m Kraftwerk Niederaußem (Block K) Braunkohle
Ventilatorkühlturm
Ventilatorkühltürme (Höhe 34–100 Meter) sind nicht so hoch wie Naturzugkühltürme (Höhe bis zu 200 m), da der Luftzug mit Ventilatoren erzeugt wird. Auch Zellenkühler sind Ventilatorkühltürme, allerdings deutlich niedriger und kompakter.
Die ventilatorunterstützten runden Kühltürme (Teilnaturzug) werden eingesetzt, wenn die Bauhöhe durch Nähe zu Wohnbebauung oder zum Schutz des Landschaftsbilds begrenzt ist.
Ventilatorunterstützte Kühltürme werden sowohl für den Industrie- als auch für den Kraftwerksbereich eingesetzt für Kühlwasserkreisläufe zwischen 25.000 und 200.000 m³/h.
Diese Kühlturmvariante kann auch in Ortschaften gebaut werden, weil im Gegensatz zu den deutlich höheren Naturzugkühltürmen keine optisch bedrängende Wirkung und keine massive Verschattung entsteht.
Vorteile gegenüber Naturzugkühltürmen Vorteile gegenüber Zellenkühltürmen Nachteile gegenüber Naturzugkühltürmen kompakte Bauweise mit geringer Höhe ohne optisch bedrängende Wirkung Stromeinsparung durch Teilnutzung des natürlichen Kamineffektes Strombedarf geringerer Platzbedarf bei Stromausfall Teilkühlung durch Naturzug bessere Kühlcharakteristik im Sommer keine Rezirkulation heißer Luft höhere betriebliche Flexibilität höhere Dampfschwadenabführung
Hybridkühlturm
mini|Hybridkühlturm (Größenvergleich zu Kesselhaus im Hintergrund) des Kraftwerks Altbach
Hybridkühltürme (Höhe 42–65 Meter) sind nicht so hoch wie Naturzugkühltürme (Höhe bis zu 200 m), da der Luftzug wie bei Ventilatorkühltürmen mit Ventilatoren erzeugt wird. Zusätzlich wird bei Hybridkühltürmen ein Wärmeübertragerpaket (Trockenteil) eingebaut, über das Ventilatorkühltürme nicht verfügen.
Im Normalbetrieb wird das warme Kühlwasser im Nassteil (untere Ebene) des Hybridkühlturmes verrieselt. Die obere Ebene des Hybridkühlturmes, der Trockenteil, dient ausschließlich der Schwadentrocknung und trägt nur einen kleinen Teil zur Gesamtkühlleistung des Kühlturmes bei. Über die Ventilatoren des Trockenteiles wird kalte Luft von außen angesaugt und durch das Vorbeileiten an den Wärmeübertragerpaketen (welche mit warmem Kühlwasser gespeist werden) erwärmt. Das Einleiten dieser erwärmten Luft in den gesättigten Kühlturmschwaden bewirkt eine Verschiebung des Sättigungspunktes, wodurch es zu einer vollständigen Auflösung des sichtbaren Kühlturmschwadens kommt. Hybridkühltürme werden überwiegend dort eingesetzt, wo niedrige Bauhöhen und eine geringe Verschattung, meist in der Nähe von Wohnbebauung, gefordert werden. Eine Rauchgaseinleitung in Hybridkühltürme ist unüblich.
Turmhöhe Kraftwerke mit Hybridkühlturm Brennstoff 42 m Kraftwerk Altbach/Deizisau (zwei Türme) Steinkohle 56 m Kernkraftwerk Neckarwestheim Uran 65 m Kraftwerk Moorburg (Flash wird benötigt, um Informationen zum Kühlturm anzuzeigen). Steinkohle 80 m Rheinhafen-Dampfkraftwerk Karlsruhe Steinkohle
Kühlarten
Nasskühlung mit Naturzug-Nasskühltürmen ist die am häufigsten vorkommende Kühlart, weil der Wirkungsgrad durch die entstehende Verdunstungskälte des Wassers als Kühlmedium am höchsten ist. Sehr viel seltener ist Hybridkühlung, die im Gegensatz zur Nasskühlung einen geringeren Wirkungsgrad hat, aber keine sichtbaren Dampfschwaden produziert. Trockenkühlung nutzt Luft als Kühlmedium und findet nur unter speziellen Umgebungsbedingungen Anwendung — wie niedrige mittlere Temperatur, Wassermangel oder ein geringer Kühlbedarf bei Kraftwerken, die Abwärme als Fernwärme abführen (z. B. Heizkraftwerk Berlin-Mitte). Bei Trockenkühlung ist eine Verbreitung von Keimen (z. B. Legionellen) durch die fehlenden Dampfschwaden im Gegensatz zu Nasskühlung ausgeschlossen, allerdings hat Trockenkühlung den niedrigsten Wirkungsgrad von allen Kühlarten.
Nasskühlung Naturzug-Nasskühlung
mini|Dampfschwaden aus den Kühltürmen des Kernkraftwerks Cattenom mini|Wasserbecken (Kühlturmtasse) im unteren Teil des Naturzug-Nasskühlturms vom Kraftwerk Rostock