mini|Dampfkessel und zugehöriges Tragwerk in einem Kohlekraftwerk
Ein Dampfkraftwerk ist ein Kraftwerk zur Stromerzeugung, bei dem die thermische Energie von Wasserdampf in einer Dampfturbine (früher auch in einer Kolbendampfmaschine) ausgenutzt wird. Zu einem Dampfkraftwerk gehören eine Wärmequelle, ein Dampferzeuger, eine Turbine mit einem Generator, und eine Einrichtung zur Kondensation des heißen Dampfs.
mini|Schema eines Dampfkraftwerkes mini|Prinzipschaubild eines Dampfkraftwerkes mit Zwischenüberhitzung mini|Wärmeschaltbild Kraftwerk Staudinger (Großkrotzenburg am Main), Block 5
Die Dampfkraftwerksarten unterscheiden sich hauptsächlich nach ihrer Wärmequelle. Kohlekraftwerke, Ölkraftwerke und Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke verbrennen fossile Brennstoffe. In Kernkraftwerken wird die Hitze durch Kernspaltung erzeugt. Bei Erdwärmekraftwerken stammt die Wärme aus dem Oberen Erdmantel – der Ursprung der Erdwärme wiederum ist eine Kombination aus der Gravitationsenergie von der Formation der Erde und dem Zerfall radioaktiver Substanzen wie Uran, Thorium, 40K und Mitgliedern der Zerfallsreihen von Uran und Thorium. In den selteneren Sonnenwärmekraftwerken stammt die Wärme von der Sonne. Biomassekraftwerke sind üblicherweise ebenfalls als Dampfkraftwerke ausgeführt, der Primärenergieträger ist jedoch rezente Biomasse wie beispielsweise Biogas, Holz oder landwirtschaftliche Reststoffe.
Einsatzfelder Viele Dampfkraftwerke dienen ausschließlich der Stromerzeugung: Braunkohlekraftwerke und Kernkraftwerke vor allem für Grundlast; Steinkohlekraftwerke vor allem für Mittellast; Gaskraftwerke vor allem für Spitzenlast. Gaskraftwerke lassen sich schneller anfahren und regeln als Kohlekraftwerke und sind dadurch besser für den Lastfolgebetrieb geeignet als diese.
Bei Kernkraftwerken ist der Lastfolgebetrieb oftmals unökonomisch, da die Fixkosten die variablen Kosten um Größenordnungen übersteigen. Daher gibt es Bauformen, welche von vornherein keine schnelle Steigerung der Leistung zulassen. Der Konvoi und die französischen Kernkraftwerke sind jedoch zu relativ schnellen Änderungen der Leistung nach unten wie oben in der Lage, was im französischen Stromnetz angesichts der hohen Anteile der Kernenergie für die Netzstabilität auch erforderlich ist.https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000102277 Der EPR als Nachfolger der französischen Kernkraftwerke sowie des Konvoi ist zum Beispiel in der Lage pro Minute die Leistung um bis zu 5 % zu reduzieren oder steigern.
Es gibt einen gewissen Tradeoff zwischen Regelbarkeit und Effizienz. So gelten Gas- und Dampfkraftwerke als deutlich effizienter aber schlechter regelbar und finden daher eher in der Grund- und Mittellast Anwendung. Reine Gasturbinenkraftwerke sind weniger effizient dafür aber schneller regelbar. In ähnlicher Form gelten Siedewasserreaktoren als schneller regelbar als Druckwasserreaktoren.
Prinzipiell ist unabhängig von der Wärmequelle auch die Erzeugung von Prozessdampf und Fernwärme möglich, jedoch sind je nach Bauart und Auslegung des Kraftwerks Begrenzungen der maximal möglichen Temperatur der erzeugten Prozesswärme möglich. Standortwahl mini|Das Kernkraftwerk Palo Verde liegt in der Wüste im US-Bundesstaat Arizona und nutzt geklärte Abwässer der nahe gelegenen Siedlungen zur Kühlung Bezüglich der Standortwahl besteht eine Abwägung zwischen Nähe zum verwendeten Primärenergieträger und Nähe zu potenziellen Abnehmern für Elektrizität bzw. Nah- und Fernwärme. Diese Abwägung hängt in erster Näherung von der Energiedichte des verwendeten Energieträgers ab – Braunkohlekraftwerke finden sich fast immer in Braunkohlerevieren, während Kernkraftwerke oft in der Nähe der Verbraucher angesiedelt sind.https://www.nature.com/articles/d41586-017-07511-2 Die Verfügbarkeit von Kühlwasser ist insbesondere bei Kraftwerken großer Leistung ein wichtiger Faktor, jedoch kann dieser Bedarf durch Verwendung von Kühltürmen verringert werden.https://www.enbw.com/kuehltuerme/fragen-und-antworten/funktionsweise-der-kuehltuerme.html Weitere Gesichtspunkte sind die Vermeidung von Immissionen durch Abgase in dicht besiedelten Gebieten, sowie die NIMBY-Problematik.https://www.jstor.org/stable/24881736 Hierbei kam es in der Standortwahl immer wieder zu Umweltrassismus.https://www.nature.com/articles/s41560-022-01162-y Eine gute Schienen-, Straßen-, oder Wasserstraßenanbindung zur Anlieferung des Energieträgers (sowie zum Abtransport von Asche, abgebrannten Brennelementen o. ä.) ist ebenfalls wichtig – wo diese nicht vorhanden ist, wird sie teilweise schon zu Baubeginn für die Baustellenlogistik geschaffen. Zu guter Letzt benötigen Kraftwerke auch Personal, welches wiederum Wohnungen, Nahversorgung usw. benötigt. In der Sowjetunion wurden für entsprechende Großkraftwerke neue Städte geschaffen, welche als Atomgrad (von Atom und ) bezeichnet werdenhttps://www.herder-institut.de/en/projects/atomgrad/ und von welchen die heutige Geisterstadt Prypjat die bekannteste sein dürfte.https://chernobylx.com/pripyat-the-ninth-atomgrad-next-to-the-chernobyl-nuclear-disaster/https://www.atlasobscura.com/articles/chernobyl-pripyat-before-disaster Andere Atomgrads sind Enerhodar (Kernkraftwerk Saporischschja) oder Kurtschatow (Russland) (Kernkraftwerk Kursk).
Prozessbeschreibung Grundprozess
Der zum Betrieb der Dampfturbine notwendige Wasserdampf wird in einem Dampfkessel aus zuvor gereinigtem und aufbereitetem Wasser erzeugt. Durch weiteres Erwärmen des Dampfes im Überhitzer nimmt die Temperatur und das spezifische Volumen des Dampfes zu. Vom Dampfkessel aus strömt der Dampf über Rohrleitungen in die Dampfturbine, wo er einen Teil seiner zuvor aufgenommenen Energie als Bewegungsenergie an die Turbine abgibt. An die Turbine ist ein Generator angekoppelt, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Danach strömt der entspannte und abgekühlte Dampf in den Kondensator, wo er durch Wärmeübertragung an die Umgebung kondensiert und sich als flüssiges Wasser an der tiefsten Stelle des Kondensators sammelt. Über die Kondensatpumpe und den Vorwärmer hindurch wird das Wasser in einen Speisewasserbehälter zwischengespeichert und dann über die Speisepumpe erneut dem Dampfkessel zugeführt.
Wasser-Dampf-Kreisläufe in modernen Kraftwerken haben komplexe Schaltungen, um die Brennstoffenthalpie mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Leistung umzusetzen und die Kondensationsverluste so gering wie möglich zu halten. Vor allem wird ein Teil der übertragenen Wärmemenge zum Vorwärmen des Speisewassers genutzt, indem aus der Turbine Dampf aus unterschiedlichen Druckstufen bzw. Temperaturen ausgekoppelt und in Wärmetauschern zum Vorwärmen des Speisewassers kondensiert wird. In modernen Kohlekraftwerken wird das Speisewasser auf diese Weise auf bis zu über 300 °C erwärmt, bevor es dem Kessel zugeführt wird. Siehe nebenstehendes Wärmeschaltbild. Eine weitere Möglichkeit ist, die ausgekoppelte Abwärme als Fernwärme bereitzustellen.
Dampfkessel werden meist mit konventionellen Brennstoffen wie Öl, Erdgas, Steinkohle oder Braunkohle befeuert. Es gibt Kraftwerke, deren Hauptaufgabe die Müllverbrennung ist. Daneben werden die Dampfkessel großer Kraftwerke auch zur thermischen Entsorgung von flüssigen, brennbaren oder nicht brennbaren, Abfällen wie Öl-Wasser-Gemischen eingesetzt. Begünstigt durch Subventionen aus dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sind eine Vielzahl von Biomassedampfkesselanlagen errichtet worden, in denen Frisch- und Altholz als Brennstoff eingesetzt werden.
Dampfkessel können bis zu 830 kg Wasserdampf in der Sekunde erzeugen (knapp 1 kg/s pro daraus erzeugtem MW elektrisch). Der Kondensator steht mit seiner Bauform als Rohrbündelwärmeübertrager zumeist mit einem Kühlturm in Verbindung, über den die nicht mehr nutzbare Wärme des Dampfes mit Hilfe von Kühlwasser an die Umgebung abgegeben wird. Diese Anwendung des Dampfkraftwerk-Kreislaufes zur Stromerzeugung unterliegt den Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik, mit deren Hilfe auch eine Aussage über den Wirkungsgrad und möglichen Optimierungsschritten eines Dampfkraftwerkes gemacht werden kann. Diese Zusammenhänge können sehr anschaulich im TS-Diagramm dargestellt werden.
Dampfkraftwerksprozess im T-S-Diagramm und im H-S-Diagramm mini|hochkant=2.5|Kreisprozess des Dampfkraftwerkes für verschiedene Auslegungsparameter; gelb: Dampfdruck: 50 bar / Frischdampftemperatur: 400 °C / Kondensationstemperatur: 35 °C / keine Zwischenüberhitzung; rosa: Dampfdruck: 150 bar / Frischdampftemperatur: 550 °C / Kondensationstemperatur: 20 °C / einfache Zwischenüberhitzung
Die Wärme ist das Produkt aus der Entropiedifferenz und der absoluten Temperatur. Trägt man die Zustandsänderungen eines Dampfkraftwerksprozesses (Clausius-Rankine-Prozess) in dem Temperatur-Entropie-Diagramm (TS-Diagramm) ein, dann stellt die Fläche unterhalb der Kurve die zugeführte (Zustandsänderung von links nach rechts) oder abgeführte Wärme (Zustandsänderung von rechts nach links) dar.
In dem Diagramm ist der Kraftwerksprozess (siehe Blockschaltbild) einmal ohne Zwischenüberhitzung (gelb) und mit Zwischenüberhitzung (rosa) dargestellt. Die Turbine wird als ideal (reversible Zustandsänderung) angenommen.
Die Eckpunkte des Kreisprozesses bezeichnen folgende Zustandsänderungen:
1–2: Druckerhöhung des Speisewassers 2–3: isobare Erwärmung des Speisewassers auf die Siedetemperatur 3–4: isobare Verdampfung 4–5: Überhitzung 5–6: Entspannung an der Turbine 6–1: Kondensation
nur Prozess mit Zwischenüberhitzung (rosa):
5–5a: Entspannung an der Hochdruckturbine 5a–5b: Zwischenüberhitzung 5b–6: Entspannung an der ND-Turbine (ND = Niederdruck)
In dem Diagramm kann die spezifische zugeführte und abgeführte Wärme (bezogen auf 1 kg Wasser) für die jeweiligen Prozessparameter als Fläche unterhalb der Kurve abgelesen werden. Unter Vernachlässigung der zugeführten technischen Arbeit an der Speisewasserpumpe, der Vernachlässigung von Wärmeverlusten und der Annahme einer idealen Turbine (reversible Entspannung) tritt folgender Enthalpieaustausch zwischen den Systemgrenzen des Kraftwerks und der Umgebung auf:
Die im Brennstoff enthaltene chemische Enthalpie wird umgesetzt in die technische Arbeit an der Turbinenwelle und die Abwärme im Rauchgas, sowie die Abwärme, die über den Kondensator abzuführen ist. Die schraffierten Flächen in dem Diagramm beschreiben die abzuführende Kondensationsenthalpie. Die nutzbare technische Arbeit wird durch die einfarbigen Flächen dargestellt. Der Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses kann abgeleitet werden aus:
mini|hochkant=2.5|Turbinenprozess des Kraftwerks Staudinger (Block 5) im h-s-Diagramm. Das Bild zeigt den realen Verlauf der adiabaten Expansion vor und nach der Zwischenüberhitzung (rote Linien), der auf Grund von Reibungs-, Stoß- und Drosselverlusten nicht isentrop ist.
mini|hochkant=2.5|Kreisprozess des Kraftwerks Staudinger (Block 5) im T-s-Diagramm. Die roten Kringel auf der linken Seite markieren die Vorwärmstufen des Speisewassers, auf der rechten Seite die Entnahmen, von denen einige zusätzlich durch die zugehörigen Isobaren gekennzeichnet sind. Deutlich sichtbar wird in diesem Diagramm, dass es sich um eine überkritische Anlage handelt (der Prozess führt nicht durch das Nassdampfgebiet). Durch die beiden Isobaren für 300 bar und 255 bar wird der Druckverlust im Kessel hervorgehoben.