mini|Kohlekraftwerk Werdohl-Elverlingsen im Jahr 2008. Stillgelegt 2014, seit 2018 Batterie-Speicherkraftwerk mini|hochkant=1.7|Stoff- und Energieflüsse eines Kohlekraftwerks Ein Kohlekraftwerk ist ein Dampfkraftwerk, in dem Kohle verbrannt wird, um elektrischen Strom zu erzeugen. Es gibt Kraftwerke für Braunkohle und für Steinkohle. Die Kraftwerkstypen sind speziell für den jeweiligen Brennstoff mit seinen verfahrenstechnischen Eigenheiten, seinem Heizwert und seinen Ascheanteilen konzipiert.
Weltweit hatte der Kohlestrom im Jahr 2024 einen Anteil von 35 Prozent bei der Erzeugung von elektrischem Strom, 2015 waren es 40,7 Prozent gewesen.World Development Indicators: Electricity production, sources, and access. Weltbank, abgerufen am 4. Oktober 2018.
In Deutschland wird mit braunkohlegefeuerten Kohlekraftwerken Strom für die Grundlast und mit Steinkohle hauptsächlich für die Mittellast erzeugt, wobei 2016 aus Braunkohle 22,2 % (134,9 TWh) und aus Steinkohle 16,4 % (99,8 TWh) des Stroms als Netzeinspeisung erzeugt wurden. Die Werte beinhalten nicht Erzeugung für den Eigenbedarf. 2024 waren bei der Netzeinspeisung 15,1 % (71,10 TWh) aus Braunkohle und 5,14 % (24,16 TWh) aus Steinkohle. Ein einzelner Kraftwerksblock hat eine typische elektrische Leistung von bis zu 1000 Megawatt.
Außer in der VR China werden seit etwa 2018 mehr alte Kapazitäten stillgelegt als neue in Betrieb genommen. In Europa wurden im Jahr 2020 Kohlekraftwerke mit geschätzt 8.300 MW Kapazität stillgelegt.faz.net: Kohlekraft weltweit auf dem Rückzug (3. August 2020)
Anlagenteile mini|hochkant=1.4|Anteile der Stromerzeugung aus Kohle international Ein Kohlekraftwerk besitzt folgende typische Anlagenteile: Kesselhäuser für Heiz-/Dampfkessel und Kohlemühlen Kohleförderbandanlagen, Brechertürme und Bunkerschwerbauten (Mittelschwerbauten) für Transport, Aufbereitung, Zwischenlagerung und Zuteilung der Brennstoffe, Maschinenhäuser für Dampfturbinen, Generatoren, Speisewasserpumpen und Kondensatoren, Umspannanlagen mit Transformatoren, Elektrisches Eigenbedarfsnetz, Anlagen zur Rauchgasreinigung, Kühltürme (entfallen bei Fluss- oder Meerwasserkühlung), Schornsteine (teilweise in Kühltürme integriert), Anlagen zur Erzeugung von Kesselspeise- und Kühlwasser aus dem zur Verfügung stehenden Rohwasser, Anlagen zur Behandlung des Rohwassers und von Asche, Schlacke sowie sonstigen Nebenprodukten, Freie Flächen zur Lagerung der Brennstoffe, Nebengebäude für die Verwaltung, Leitwarten und für die umfangreichen Prüflabore
Prinzipielle Funktionsweise mini|Bahneigenes Kraftwerk für 300 V Gleichstrom der Frankfurt-Offenbacher Trambahn-Gesellschaft von 1884 In einem Kohlekraftwerk gelangt die Braun- bzw. Steinkohle zuerst über die Kohleförderbandanlagen in den Bunkerschwerbau. Dabei passiert die Kohle eine Fremdkörper-Abscheideanlage, die z. B. Xylit aussondert, und einen Brecherturm, der die Kohle zerkleinert. Mittels Zuteiler-Förderbändern wird die Kohle auf die einzelnen Kohlemühlen verteilt. In den Kohlemühlen wird die Kohle gemahlen sowie mit Abgasen aus der Staubfeuerung getrocknet und in den Brennerraum der Staubfeuerung eingeblasen und dort vollständig verbrannt. Die dadurch frei werdende Wärme wird von einem Wasserrohrkessel aufgenommen und wandelt das eingespeiste Wasser in Wasserdampf um. Der Wasserdampf passiert den Überhitzer und strömt über Rohrleitungen zur Dampfturbine, in der er einen Teil seiner Energie abgibt, sich entspannt und abkühlt. Nach der Turbine folgt ein Kondensator, in dem der Dampf seine Wärme an das Kühlwasser überträgt und kondensiert.
Eine Speisewasserpumpe fördert das entstandene flüssige Wasser als Speisewasser erneut in den Wasserrohrkessel, womit der Kreislauf geschlossen wird. Zur Vorwärmung des Speisewassers im Economiser sowie der über den Frischlüfter angesaugten Verbrennungsluft im Luftvorwärmer (LUVO), nutzt man die Rauchgase aus dem Brennraum. Optional sind Dampf-Luftvorwärmer vorgeschaltet. Die in der Turbine erzeugte mechanische Leistung wird mit dem von ihr angetriebenen Generator (Turbosatz) zur Stromerzeugung genutzt.
Das im Brennerraum durch Verbrennung entstandene Rauchgas wird einer Rauchgasreinigung (Entstaubung mit Elektrofilter, Rauchgasentschwefelung und evtl. Rauchgasentstickung) unterzogen, bevor es über den Schornstein bzw. manchmal über den Kühlturm das Kraftwerk verlässt.
Das im Kondensator erwärmte Kühlwasser wird im Kühlturm gekühlt, teilweise erneut verwendet oder in ein vorhandenes Fließgewässer abgegeben.
In der Rauchgasentschwefelung entsteht sogenannter REA-Gips (auch Kraftwerkgips genannt), der von der Baustoffindustrie genutzt wird und zum Beispiel in der Gipsindustrie rund 60 Prozent des Rohstoffbedarfs abdeckt.
Die Asche des Brennstoffes wird als Schlacke aus dem Brennerraum oder als Flugasche aus dem Elektrofilter abgezogen. Sie wird deponiert oder teilweise als Zuschlagstoff für Zement verwendet. mini|zentriert|hochkant=2.9|Vereinfachtes Diagramm eines Kohlekraftwerkes
Steuerung der Abläufe Sämtliche im Kohlekraftwerk anfallenden Informationen (Messwerte, Schaltzustände, Stellglied-Stellungen) werden in der Leitwarte angezeigt, ausgewertet und verarbeitet. Die Steuerungstechnik muss wesentliche Prozesse selbsttätig führen, da das System zu kompliziert ist, um von Menschen gesteuert werden zu können. Das Personal kann begrenzt in den Betriebsablauf eingreifen, um beispielsweise die Leistung zu drosseln. Die Steuerungsbefehle werden an Hilfsantriebe (Stellglieder) übermittelt und bewirken in teilweise großer Entfernung von der Leitwarte beispielsweise das Öffnen oder Schließen einer Armatur oder eine Veränderung der zugeführten Brennstoffmenge.
Anfahrverhalten mini|387x387px|Aggregierte Einspeisung der Kohlekraftwerke, Dayahead Preis und Residuallast in Deutschland und Luxemburg im Januar 2024, Daten Entso-E-Transparenzplattform Bei den meisten Wasserkraftwerken kann die Leistung bei Bedarf im Sekundenbereich erhöht und reduziert werden (siehe auch Lastfolgebetrieb); ähnlich ist es bei Gaskraftwerken. Kohlekraftwerke können dagegen nur deutlich langsamer auf einen Wechsel der Lastanforderung reagieren. Die angegebenen Zeiten decken das Zünden des ersten Brenners bis zum Erreichen der Volllast ab. Beim Anfahren eines Kohlekraftwerks wird zwischen Heißstart, Warmstart und Kaltstart unterschieden. Heißstart bezeichnet ein Anfahren nach einem Stillstand von weniger als 8 Stunden, ein Warmstart den Zeitraum von 8 bis 48 Stunden und ein Kaltstart ein Wiederanfahren nach einem Stillstand von mehr als 48 Stunden.Lorenz Jarass, G. M. Obermair: Welchen Netzumbau erfordert die Energiewende? Münster 2012, S. 85.
Steinkohlekraftwerke benötigen für einen Heißstart 2 bis 4 Stunden; ein Kaltstart nach längerem Stillstand dauert 6–8 Stunden. Braunkohlekraftwerke benötigen für einen Kaltstart 9 bis 15 Stunden und sind deutlich schlechter regelbar. Zudem können heutige Braunkohlekraftwerke nicht unter 50 % Leistung gedrosselt werden, da sonst die Kesseltemperatur zu stark absinken würde. Eine größere Regelbarkeit wird angestrebt, wobei jedoch ein Herunterregeln auf unter 40 % der Nennleistung als unwahrscheinlich gilt.. Fraunhofer ISE. Abgerufen am 11. November 2013.
Werden Kohlekraftwerke im Teillastbetrieb gefahren, sinkt der Wirkungsgrad etwas ab. Bei den modernsten Steinkohlekraftwerken liegt der Wirkungsgrad im Volllastbetrieb bei ca. 45–47 %. Werden diese Kraftwerke auf 50 % Leistung gedrosselt sinkt der Wirkungsgrad auf 42–44 % ab.. VDI Statusreport August 2013. Abgerufen am 13. April 2014.
Kohlekraftwerke hatten 2012 deutliche Flexibilisierungspotenziale gegenüber dem damaligen Stand. Sie waren und sind dennoch im Wirkungsgrad, maximaler Änderung der Last in fünf Minuten sowie Anfahrzeit Kaltstart den GuD-Kraftwerken sowie Gasturbinen unterlegen, selbst wenn die technischen Optimierungspotenziale ausgeschöpft werden können. Zudem sind Gas-Einheiten in der Regel deutlich kleiner als Kohle-Einheiten und können somit gut in Kaskaden betrieben werden., S. 20ff., S. 12, unter Verwendung von VDE-Daten
Aufgrund ihres schwerfälligen Anfahrverhaltens zahlen besonders Braunkohlekraftwerke zuweilen Negative Strompreise, damit sie ihren Strom abgenommen bekommen. Braunkohlekraftwerke und Kernkraftwerke sind am stärksten von diesem Phänomen betroffen, wenn niedriger Bedarf mit hohen Einspeisungen z. B. von Windenergie zusammentreffen. So war zwischen September 2008 und Mai 2010 während 91 Stunden an der Strombörse ein negativer Strompreis zu verzeichnen; während dieser Zeit speisten Windkraftanlagen überdurchschnittlich viel Leistung ins Netz ein (über 10 GW). In Zeiten negativer Börsenstrompreise liefen Braunkohlekraftwerke mit einer Auslastung von bis zu 73 %, bei Niedrigpreisen mit bis zu 83 % weiter, da sie nicht flexibel genug heruntergefahren werden konnten. Eine Auslastung von 42 % wurde dabei nie unterschritten.DUH-Hintergrund: Energiewende? Kohlewende! Kohlekraftwerke im Dauerbetrieb treiben den Stromexport auf historische Höhen und gefährden die nationalen Klimaschutzziele. Berlin 2013 (PDF; 907 kB)
Wirkungsgrad mini|Großbaustelle der Blöcke F und G des Braunkohlekraftwerks mit optimierter Anlagentechnik (BoA) Neurath bei Grevenbroich mini|BoA-Block in Niederaußem im April 2006 Der Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken liegt üblicherweise im Bereich von 30 bis 40 %, moderne überkritische Kraftwerke können bis zu 45 % erreichen.Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Towards an electricity-powered world. In: Energy and Environmental Science 4, (2011), 3193–3222, S. 3197 doi:10.1039/c1ee01249e. In Deutschland lagen die mittleren Wirkungsgrade im Jahr 2019 bei Braunkohlekraftwerken bei 39,5 % bzw. bei Steinkohlekraftwerken bei 43,7 %.Umweltbundesamt: Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger. Wirkungsgrad fossiler Kraftwerke. Abgerufen am 19. Juli 2021. In anderen Staaten, insbesondere in Schwellenländern und Entwicklungsländern, liegen die Wirkungsgrade z. T. deutlich niedriger.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Kohlekraftwerken muss neben der optimalen Führung und Gestaltung der Verbrennung der Wasserdampf mit einer möglichst hohen Temperatur in die Dampfturbine eintreten und diese mit einer möglichst niedrigen Temperatur wieder verlassen. Die hohe Eintrittstemperatur wird durch Überhitzen erreicht, einer auch bei Dampfmaschinen angewendeten Methode. Der Dampf hat eine Temperatur von über 600 °C, angestrebt wird eine Temperatur von 700 °C, was derzeit noch auf Materialprobleme stößt. Der Dampf gelangt dann in die Hochdruck-Dampfturbine und danach erneut in einen Zwischenüberhitzer, wo er wiederum auf etwa 600 °C aufgeheizt wird. Die Mitteldruck- und Niederdruck-Turbine sorgen für die weitere Entspannung und Abkühlung. Die Grenze für die höchste Temperatur ist die Hitzebeständigkeit der verwendeten Stähle für die Rohre des Überhitzers. Die niedrige Austrittstemperatur des Dampfes wird durch einen nachgeordneten Kondensator verwirklicht – der Dampf kann sich bis zu geringen Drücken entspannen, die weit unterhalb des Atmosphärendruckes liegen. Man hält daher die Eintrittstemperatur des Kühlwassers in den Kondensator gering. Die Berohrung des Kondensators wird kontinuierlich durch das Kugelumlaufverfahren von Verschmutzungen befreit, da Verunreinigungen an dieser Stelle den gesamten Wirkungsgrad verringern. Die niedrigstmögliche Temperatur ist die Kondensationstemperatur, da Wassertröpfchen in der Turbine wegen Verschleiß vermieden werden müssen. Die letzten Turbinenstufen sind sehr groß und tragen nur zu Prozentbruchteilen zum Wirkungsgrad bei.