mini|Das Heizkraftwerk (Gaskraftwerk) Berlin-Mitte wird neben der Stromproduktion auch zur Fernwärmeversorgung des Regierungsviertels eingesetzt. mini|Kohlekraftwerk Staudinger in Großkrotzenburg mini|Braunkohlekraftwerk Weisweiler mini|Laufwasserkraftwerk Hengstey
Ein Kraftwerk (veraltete Bezeichnung: Elektrizitätswerk, heute auch Stromerzeugungsanlage) ist eine technische Anlage zur Stromerzeugung und stellt in manchen Fällen zusätzlich thermische Energie bereit. Bei einem Kraftwerk wird mechanische Energie mittels Generatoren in elektrische Energie verwandelt, die in das Stromnetz eingespeist wird. Die mechanische Energie zum Antrieb der Generatoren stammt ihrerseits aus kinetischer Energie (Wasser- und Windkraftwerk) oder thermischer Energie (über beispielsweise Dampfturbinen, Gasturbinen oder ORC-Turbinen). Die thermische Energie stammt dabei aus Sonnenstrahlungsenergie (Sonnenwärmekraftwerk) geothermischer Energie (Geothermiekraftwerk) chemischer Energie (Verbrennung von Kohle (Kohlekraftwerk), Erdöl (Ölkraftwerk), Erdgas (Gaskraftwerk), Biomasse (Biomassekraftwerk), Müll) oder Kernenergie (Kernkraftwerk, evtl. künftig Kernfusion.)
Es gibt auch Anlagen aus vielen gleichartigen kleinen Einheiten, bspw. Photovoltaikanlagen. Auch sie werden als Kraftwerke bezeichnet, obwohl sie keine beweglichen Teile enthalten und daher kinetische Energie nicht als Energieform in der Umwandlungskette vorkommt.
Die jeweiligen Primärenergien werden in diesen Energieumwandlungsketten mit unterschiedlichen Wirkungsgraden in elektrische Energie umgewandelt.
Alle Methoden stehen miteinander in wirtschaftlicher Konkurrenz und sind bzw. wurden politisch teils massiv gefördert: Kernkraftwerke: Befreiung von der Versicherungspflicht, staatlich geförderte Forschung, Vergesellschaftung der Risiken und Folgekosten sowie der Endlager (Kerntechnik); Kohlekraftwerke: Abbaggern von Dörfern (Liste abgebaggerter Ortschaften), Vergesellschaftung der Gesundheitsrisiken und Folgekosten (Grundwasserschäden, Bergbaufolgelandschaft); erneuerbare Energien: Sonne, Wasser, Wind, Geothermie, teils zusätzlich besteuert (Kernspaltung: Brennelementesteuer); Verbrennung: Kohlenstoffdioxid-Emission.
Geschichtliche Entwicklung mini|hochkant=1.9|Ältestes erhaltenes Wasserkraftwerk Deutschlands (1891) in Schöngeising . Im ehemals ostpreußischen Darkehmen bestand bereits seit 1886 ein Wasserkraftwerk
Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts wurde die benötigte Energie neben menschlicher und tierischer Kraft durch Dampfkraft erzeugt. Dampfmaschinen wurden genutzt, um mechanische Leistung zu erzeugen, die in Fabriken mittels Transmissionen zu den Maschinen übertragen wurde. Weitere bekannte Energiequellen waren Wasserkraft und Windkraft. Diese Primärenergiequellen konnten nur in unmittelbarer Nachbarschaft genutzt werden.
Erst durch die Erfindung der Dynamomaschine war die Voraussetzung geschaffen, den Ort der Energiefreisetzung vom Ort des Energieverbrauchs räumlich zu trennen. Als Erfinder des Generators ohne Permanentmagnete wird bevorzugt Werner von Siemens genannt, der 1866 das dynamoelektrische Prinzip entdeckte und eine erste Dynamomaschine damit ausstattete. Bereits vor Siemens hatten jedoch Ányos Jedlik 1851 und Søren Hjorth 1854 mit dem von der Maschine selbst erzeugten Strom die Feldmagnete gespeist und dies beschrieben. Das erste Patent wurde 1854 Søren Hjorth erteilt. Die ersten Kraftwerke wurden von Dampfmaschinen angetrieben, es entstanden Stromnetze zur Verteilung der Energie. Im Stromkrieg, einen Systemwettstreit Ende des 19. Jahrhunderts zwischen den Verfahren der zu verwendeten Stromart, setzte sich bis auf wenige Ausnahmen für Stromnetze der Dreiphasenwechselstrom, eine Form von Wechselstrom mit drei Phasen, durch. Mit der Drehstrom-Hochspannungs-Übertragung können in Form von ausgedehnten Verbundnetzen größere Übertragungsstrecken bei akzeptablen Übertragungsverlusten realisiert werden.
Die Verbrennung der Kohle in Dampfkesseln zur Erzeugung von Strom wurde schnell als weiterer Absatzmarkt von den Zechenbetreibern erkannt. Ausgehend von den Zechenkraftwerken wurde der Strom an die benachbarte Industrie und Privathaushalte verteilt. Nachdem der Strom anfangs vorwiegend für Beleuchtungszwecke genutzt worden war, führte die allgemeine Verfügbarkeit der Energie zu neuen innovativen strombetriebenen Maschinen in der Industrie und in Privathaushalten und damit zu einem weiteren Anstieg der Stromerzeugung. Heute ist ein hochentwickelter Staat ohne Kraftwerke und Stromnetz undenkbar.
Aufbau/Grundlagen mini|hochkant|Transmission und riemengetriebene Maschinen vor der Einführung von Elektromotoren
Ein Kraftwerk ist sehr komplex und besteht aus mehreren Anlagenteilen:
Primärenergie-Versorgung (Brenngas, Brennöl, Kohle, Brennelemente etc.) und ggfs. Bevorratung (z. B.: Öltanks) und ggfs. Aufbereitung (z. B. Erdgasfilter, Druckreduzierung/-erhöhung, Brennstofferwärmung, Brennstoff-Verbrauchszähler) Generator, z. B. der Turbosatz mit einer Gasturbine und dem gekuppelten Synchrongenerator sowie den zugehörigen Nebenanlagen wie Schmierölversorgung. Abhitzekessel und Schornstein mit Speisewasserpumpen und Kondensator Rohrleitungen für alle Medien inklusive Ventile Kühlsystem (z. B. motorisch betriebene Kühlerbänke, Kühlturm, Wärmetauscher Fluss/Kühlwasser) Kontrollraum (Warte) für die Kraftwerks-Leittechnik Elektrische Versorgungen (Mittelspannungs-Schaltanlage, Niederspannungs-Schaltanlage) Maschinen-(Block-)Trafo Generatorschalter Hochspannungs-Schaltanlage (Freiluft- oder Innenaufstellung) mit Portalen für die Hochspannungs-Leitungen Brandschutz/Feuerlöschanlage Maschinenhalle inkl. Krananlagen, Beleuchtung und Belüftung diverse Gebäude (Kontrollraum, Ersatzteile, Personal etc.) Straßen mit Beleuchtung
Im Kraftwerk wird (thermische, mechanische, chemische, solare oder auch atomare Energie) in elektrische Energie umgewandelt. Die eingesetzte Energie (fossile Energie, radioaktive Stoffe, Sonne, Wind, Biomasse, Wasserkraft) bildet die Primärenergie und der Strom die Sekundärenergie. Der elektrische Strom stellt eine sehr hochwertige Energie dar, die sich sehr gut weit übertragen und in andere Energiearten umwandeln lässt. Die Energieumwandlung ist immer mit Energieverlusten verbunden, so dass nur ein Teil der Energie in elektrische Energie überführt wird, Der nicht nutzbare Energieanteil wird als Entropie an die Umgebung abgegeben wird. Die bekannteste Form der Abwärme bilden die Kühlturmschwaden bzw. die Schornsteinemissionen. Zu den Verlusten rechnet man auch den Kraftwerkseigenbedarf, also der Energieverbrauch der zum Betrieb der Kraftwerksanlage erforderlich ist, wie z. B. die Speisewasserpumpe, die Generator-Erregerenergie, die Lüfter und Pumpen für die Kühlsysteme.
Bei der Sonnenenergie erhitzt sich der Siliziumwafer, wenn das auftreffende Photon kein Elektron aus dem Leitungsband angehoben hat. Im Falle der Wasserkraft heizt die Reibung das Nutzwasser geringfügig auf.
Kraftwerksarten/Technologie Folgende Arten von Kraftwerken sind im Einsatz:
Thermisch arbeitende Dampfturbinen-Kraftwerke (mit Dampfturbosatz) unterschieden nach
fossilen Brennstoffen Kohlekraftwerk (Steinkohle und Braunkohle) Ölkraftwerk Gaskraftwerk Kernkraftwerk Biomasseheizkraftwerk
Thermisch arbeitende Gasturbinenkraftwerk (mit Gasturbinen-Turbosatz, mit Gas- und/oder Flüssig-Brennstoff) Gasturbinenkraftwerk (offener Prozess) und in der Kombination mit einem Dampf-Turbosatz (Kraft-Wärme-Kopplung) Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk)
Solar- & Geo-Thermie Sonnenwärmekraftwerk Geothermiekraftwerk
Nicht-Thermische Kraftwerke (Solar, Wind, Wasser) Photovoltaik-Freiflächenanlage Windkraftanlage Wasserkraftwerk Gezeitenkraftwerk Speicherkraftwerk (Pumpspeicherkraftwerk, Batterie-Speicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk, Schwungrad-Speicherkraftwerk)
Hinweis: Sofern ein Kraftwerk mit einer Heißwasser-Auskopplung für Fernwärme ausgestattet ist spricht man in diesem Zusammenhang von einem Heizkraftwerk.
Mobile Kraftwerke: Stromerzeugungsaggregate Kraftwerksschiffe
Im experimentellen Stadium befinden sich: Strom-Bojen, Meeresströmungskraftwerk Aufwindkraftwerk Wellenkraftwerk Hubspeicherkraftwerk (Speicherkraftwerk)
sowie hinsichtlich der physikalischen Grundlagen: Kernfusionsreaktor Magnetohydrodynamischer Generator Fallwindkraftwerk Meereswärmekraftwerk Osmosekraftwerk
Technische Verfahren hochkant=1.5|mini|Wichtigste Arten der Wandlung in elektrische Energie
Die Verfahren, die sehr unterschiedlichen Arten von Primärenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, unterscheiden sich bezüglich technischem Aufwand, Wirkungsgrad, aber auch Umweltbelastung. Einige Verfahren besitzen als Herzstück ein Dampf-Turbosatz: Heißer Wasserdampf (in Kombination mit einem Unterdruck erzeugenden Kondensator) treibt eine Dampfturbine an, diese wiederum den gekuppelten Generator, der den Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad liegt bei 46 %.
Bei der Kraft-/Wärmekopplung (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk) mit Gasturbinen-Turbosätzen und dem nachgeschalteten Dampf-Turbosatz, der die Abwärme der GT nutzt, erreicht man Wirkungsgrade über 60 %. Der Wirkungsgrad bei dieser Kraftwerksart kann durch weitere Dampfauskopplung für die Verwendung als Fernwärme oder z. B. für chemische Prozessanlagen weiter erhöht werden.
Dampfkraftwerke unterscheiden sich durch die Art der Wärmeerzeugung: Verbrennung von fossilen Rohstoffen wie Kohle oder von erneuerbaren Energiequellen wie Biogas Ausnutzung von Kernenergie. Bündelung von Sonnenlicht.
Die Dampfkraftwerke lassen sich durch andere Antriebsarten ersetzen: In Wasserkraftwerken treibt die Bewegungsenergie von zuvor gestautem Wasser eine Wasserturbine mit gekuppeltem Generator an. Windkraftanlagen nutzen die Bewegungsenergie von Luft. Mit Dieselmotoren betreibt man kleinere Anlagen wie transportable Notstromaggregate, aber auch Großanlagen wie auf Kreta, Fuerteventura oder Malta.
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 geringerer Stromstärke verlustärmer im Stromnetz transportiert werden kann. 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. Weltweit wird diese Kennzeichnung sowie die internationale Kennzeichnung nach ANSI/ISA S5.1 verwendet.
Die im Kraftwerk erzeugte elektrische Energie wird größtenteils als Drehstrom (50 Hz bzw. 60 Hz) über die Übertragungs-Stromnetze zum Verbraucher geleitet.
Extra Bahnstrom-Kraftwerke erzeugen die notwendige Energie (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz).
Wirkungsgrad