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Elektrodenkessel

Ein Elektrodenkessel (manchmal auch Elektrokessel oder Elektroheizkessel) ist ein Gerät zur elektrischen Erwärmung von Wasser mit einer meist sehr hohen Leistung (oft viele Megawatt), wie man sie z. B. für manche industriellen Anlagen benötigt. Während man für kleine Leistungen meist Kessel verwendet, in die Elektroheizstäbe eintauchen (nach dem Prinzip des Tauchsieders), fließt der elektrische Strom im Falle eines Elektrodenkessels direkt durch das Wasser. Hierzu werden Elektroden (elektrische Anschlüsse) verwendet, die im Inneren eines nicht elektrisch leitfähigen Wasserbehälters angebracht werden. Da die Wärme direkt im Wasser entsteht, kann in einem relativ kompakten und einfachen Gerät eine hohe Wärmeleistung erzeugt werden. Wenn nämlich die Wärme z. B. über eine Behälterwand übertragen werden müsste, würde hier für eine relativ große Wärmeübertragerfläche benötigt.

Die metallischen Einlässe und Auslässe des Kessels werden mit der Erde verbunden, sodass kaum elektrische Ströme im eintretenden oder austretenden Wasser fließen können. Nur innerhalb des Kessels treten hohe elektrische Spannungen und Ströme auf.

Es gibt auch andere Bauformen von Elektrodenkesseln, bei denen beispielsweise der Strom durch in einem Behälter herabfallende Wasserstrahlen fließt.

Manche Elektrodenkessel sind auch zur Herstellung von Wasserdampf geeignet, während andere das erhitzte Wasser in flüssiger Form abgeben.

Elektrische Leitfähigkeit des Wassers; Regelung der Heizleistung

Reines Wasser weist eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit auf und wäre deswegen kaum geeignet für die Erwärmung in einem Elektrodenkessel. Allerdings steigt die Leitfähigkeit durch diverse Verunreinigungen, insbesondere durch gelöste Salze, erheblich an, und reicht für den genannten Zweck aus, wenn eine genügend hohe elektrische Spannung (meist im Bereich etlicher Kilovolt bis hin zu Dutzenden von Kilovolt) an die Elektroden angelegt wird.

Man kann gegebenenfalls dem Wasser auch eine gewisse Menge Salz zufügen, um die Leitfähigkeit genügend anzuheben. Auf diese Weise kann auch die Wärmeleistung des Kessels reguliert werden. Eine andere Methode hierfür ist die Regelung des Wasserstands; je geringer der Wasserstand im Kessel, desto weniger werden die Elektroden bedeckt, und desto geringer wird die Stromstärke und somit die Leistung.

Vermeidung von Elektrolyse

Normalerweise wird Wasser chemisch zersetzt, wenn ein elektrischer Strom hindurchgeleitet wird; man nennt diesen Prozess Elektrolyse. Hierbei würde sich beispielsweise an einer Elektrode Wasserstoff bilden, während die andere oxidiert würde, also schnell korrodieren würde. Diese unerwünschten Effekte lassen sich allerdings weitgehend unterdrücken, indem man den Elektrodenkessel mit Wechselstrom und nicht etwa mit Gleichstrom betreibt. Dann werden nämlich die chemischen Prozesse, die während einer Halbwelle des Wechselstroms an den Elektroden geschehen, in der nächsten Halbwelle mit umgekehrter Stromrichtung weitgehend wieder rückgängig gemacht. Somit tritt im Wesentlichen nur eine Widerstandsbeheizung des Wassers auf, aber kaum eine chemische Zersetzung. Geringe Mengen von Wasserstoff, die trotzdem entstehen, könnten theoretisch eine Explosionsgefahr verursachen, jedoch ist diese Gefahr normalerweise gering, zumal der Wasserstoff eher mit Dampf, aber kaum mit Sauerstoff vermischt wird.

Anwendung von Elektrodenkesseln

Für die Erzeugung großer Wärmemengen ist Elektrowärme normalerweise ökologisch und ökonomisch ungünstig; der hohe Exergiegehalt elektrischer Energie geht dabei weitgehend verloren. Trotzdem ist die Verwendung eines Elektrodenkessels in manchen Fällen sinnvoll, die im Folgenden beschrieben werden.

Für manche Anwendungen wird nur relativ selten eine große Menge heißen Wassers oder von Wasserdampf in kurzer Zeit benötigt. Aufgrund seiner einfachen Bauart kann ein Elektrodenkessel dann eine wirtschaftlich sinnvolle Erhitzung ermöglichen. Allerdings ist zu beachten, dass allein schon durch die hohe Anschlussleistung wesentliche Kosten entstehen können: Man bezahlt im Rahmen eines industriellen Stromtarifs einen hohen Leistungspreis. Dies wird zum Problem, wenn nicht andere elektrische Verbraucher, für die der Leistungspreis ohnehin gezahlt werden muss, jeweils abgeschaltet werden können, während der Elektrokessel betrieben wird.

Eine andere Anwendung ist die Umwandlung kurzzeitiger Stromüberschüsse in nutzbare Wärme. Beispielsweise kann negative Regelenergie erzeugt werden, wenn im öffentlichen Stromnetz ein unvorhergesehener Überschuss auftritt (→ Power to Heat). Der Betreiber eines dafür genutzten Elektrodenkessels verdient dann sogar Geld mit dem Bezug der elektrischen Energie, während er diese zusätzlich als Wärme nutzen oder verkaufen kann. Dies bietet sich beispielsweise an für die Betreiber von Fernwärmenetzen; ein Elektrodenkessel kann hier entweder direkt in ein Fernwärmenetz einspeisen oder in einen Wärmespeicher, und in dieser Zeit kann die Leistung beispielsweise von Heizkesseln entsprechend zurückgenommen werden. Dass solche Überschüsse allerdings nicht allzu häufig auftreten, wird der Großteil der Wärme in der Regel nicht elektrisch erzeugt.

Ein Elektrodenkessel für negative Regelenergie bietet sich vor allem dann an, wenn am Ort auch ein leistungsfähiger Stromerzeuger betrieben wird. Dann ist nämlich ohnehin ein leistungsfähiger Netzanschluss vorhanden. Unter Umständen kann der Elektrodenkessel zeitweise die elektrische Erzeugung des genannten Stromerzeugers ganz oder teilweise vernichten, sodass eine Einspeisung in das Netz unterbleibt oder vermindert wird. Dies kann unter Umständen sinnvoller sein, als den Stromerzeuger zeitweise abzuschalten.

Siehe auch: Elektrowärme, Power to Heat, Elektroheizstab, Dampfkessel