Kraftwerke für Grund- und Spitzenlasten: Kohle, Gas & Dampf

Weshalb gibt es unterschiedliche Kraftwerkstypen?

Damit die Energieversorger in der Lage sind, flexibel auf den Stromverbrauch zu reagieren.

Der Stromverbrauch ist weder im Tagesverlauf noch im Jahresverlauf konstant. Man unterscheidet daher Kraftwerke u. a. nach der Schnelligkeit, mit der sie Hitze erzeugen können. Die so genannten Grundlastkraftwerke (Kernkraftwerke und Kohlekraftwerke) sind wegen ihrer großen Trägheit eher für den kontinuierlichen Betrieb geeignet. Spitzenlastkraftwerke wie etwa Gasturbinen-, aber auch einige Kohlekraftwerke lassen sich in Zeiten hohen Verbrauchs schnell zuschalten.

Was treibt die meisten Kraftwerke an?

Es sind fossile Brennstoffe, also Erdgas, Erdöl und Kohle. Über 60 Prozent der elektrischen Energie werden in Deutschland daraus erzeugt. Diese Stoffe entstanden aus den Überresten von Pflanzen, die vor vielen Millionen Jahren gelebt haben. Die von ihnen durch Fotosynthese gewonnene und gespeicherte Energie können wir heute durch Verbrennung freisetzen und nutzen.

Entsteht aus Kohle auf direktem Weg Strom?

Nein, die Kohle wird eingesetzt, um Dampf zu erzeugen, der Turbinen antreibt, welche den Strom erzeugen.

In einem Kohlekraftwerk wird pulverisierte Kohle bei über 1000 °C im Dampferzeuger verbrannt. Das in Rohren durch den Brennraum geleitete Wasser wird durch die Verbrennungswärme so stark erhitzt, dass es verdampft. Der 540 °C heiße Dampf steht unter einem Druck von ca. 200 bar. Dies versetzt ihn in die Lage, die Turbinen anzutreiben, an denen er vorbeigeleitet wird. Um den Dampf optimal zu nutzen, sind Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen hintereinander angeordnet. Beim Durchströmen der Turbinen sinken Druck und Temperatur des Dampfes, wodurch aber sein Volumen zunimmt. Die Laufräder der Turbinen sind mit Schaufeln ausgerüstet, auf die der Dampf beim Vorbeiströmen Druck ausübt. Dies versetzt die Turbine in Drehung. Die Schaufelräder werden von Hochdruck- zu Niederdruckturbine größer, damit am Schluss ein großes Dampfvolumen geringen Drucks die gleiche Drehzahl erzeugt wie am Anfang das kleine Volumen hohen Drucks.

Hinter der Turbine hat der Dampf seinen Druck verloren. Die restliche Wärme von etwa 40 °C wird ihm in einem Wärmetauscher entzogen, in dem der Dampf an Rohren vorbeigeleitet wird, die von Kühlwasser durchströmt werden. Der Dampf kondensiert an den Rohraußenseiten, und das abtropfende Wasser wird zurück in den Brennraum geleitet und erneut verdampft.

Weshalb haben Kraftwerke Kühltürme?

Um die Abwärme der Brennprozesse zu »entsorgen«. Am unteren Ende des Kühlturmes sind Öffnungen, durch die Luft einströmen kann. Sie erwärmt sich am Kühlwasser, das innerhalb des Turmes versprüht wird, und erhält dadurch einen Auftrieb. Beim Aufstieg nimmt sie Dampf und Tröpfchen mit und tritt am oberen Ende in die Atmosphäre aus. Herrschen niedrige Außentemperaturen, entstehen die bekannten Dampfschwaden. Der Dampf aus dem Kühlturm ist übrigens weitgehend schadstofffrei.

Verpesten Kohlekraftwerke die Luft?

Nicht mehr in dem Ausmaß wie in vergangenen Jahrzehnten, denn in modernen Kraftwerken wird das bei der Verbrennung gebildete Rauchgas von Stickoxiden, Schwefel und Staub gereinigt.

In einer Entstickungsanlage werden Stickoxide mithilfe von Ammoniak zu unschädlichem Stickstoff und Wasser umgewandelt. Staub wird dem Rauchgas mithilfe elektrostatischer Filter entzogen und der Schwefel – dessen Oxide sich in der feuchten Atmosphäre zu Schwefelsäure umwandeln würden – wird unschädlich gemacht, indem man das Rauchgas mit Calciumcarbonat besprüht. Es reagiert dabei mit Schwefeldioxid zu Gips, der als Baumaterial verkauft wird.

Lediglich das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid (CO₂) entweicht in die Atmosphäre. Leider verstärkt es den Treibhauseffekt und ist damit mitverantwortlich für die sich abzeichnende Klimaänderung.

Welche Alternative zur Kohle gibt es?

Gas kann ebenfalls zum Antrieb von Turbinen verwendet werden. Gasturbinen können sehr schnell anlaufen und sind daher flexibel einsetzbar. Verglichen mit den einigen Hundert Megawatt (MW), die ein Dampfkraftwerk erzeugt, ist die Leistung eines Gasturbinenkraftwerks mit 1 bis 300 MW meist etwas geringer. Die Gasturbine wird von einem etwa 1000 °C heißen Gasstrahl angetrieben. Erzeugt wird dieser, indem Erdgas zusammen mit verdichteter Luft verbrannt wird. Ein großer Teil der Leistung wird für das Verdichten der Luft benötigt, so dass im Generator lediglich 33 bis 42 Prozent in elektrische Leistung umgewandelt werden.

Gasturbinenkraftwerke kommen ohne Kühltürme und Rauchgasreinigung aus und die Investitionskosten sind geringer als bei Dampfkraftwerken. Dem stehen jedoch höhere Stromerzeugungskosten gegenüber, weshalb man Gasturbinenkraftwerke meist als Spitzenlastkraftwerke einsetzt.

Die Abgase eines Gasturbinenkraftwerkes sind noch ca. 500 °C heiß; es liegt nahe, sie für den Betrieb eines Dampfkraftwerks zu nutzen. Dies geschieht in Kombinationskraftwerken, bei denen Gasturbinen und Dampfturbinen hintereinander geschaltet sind. Ihr Wirkungsgrad steigt damit auf etwa 55 Prozent.