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Wärmekraftwerk

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Definition: ein Kraftwerk, welches elektrische Energie aus Wärme gewinnt

Englisch: thermal power station

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 16.12.2012; letzte Änderung: 18.10.2015

Ein Wärmekraftwerk ist ein Kraftwerk, welches auf einer Art von Wärmekraftmaschine basiert. In ihm wird also Wärme erzeugt (oder auch der Umwelt entnommen) und mit Hilfe einer Wärmekraftmaschine teilweise in mechanische Energie umgewandelt. Der meist größere Teil der eingesetzten Wärme fällt aber als Abwärme an. Die mechanische Energie dient zum Antrieb eines Generators, der elektrische Energie erzeugt.

Arten von Wärmekraftwerken

Großkraftwerke sind meist Wärmekraftwerke mit Dampfturbinen.

Kraftwerksblöcke

Ein großes Wärmekraftwerk (Großkraftwerk) besteht aus einem oder mehreren Kraftwerksblöcken, die weitgehend unabhängig voneinander betrieben werden können. Ein Kraftwerksblock hat jeweils eigene Einrichtungen als Wärmeerzeuger, Dampferzeuger und Überhitzer, Dampfturbinen und Generator. Siehe auch den Artikel über Kraftwerke.

Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken

Aufgrund physikalischer Grenzen kann kein Wärmekraftwerk die erzeugte Wärme vollständig in elektrische Energie umwandeln.

Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist physikalisch begrenzt durch den Carnot-Wirkungsgrad. Dieser wird umso höher, je höher die nutzbare Temperatur der Wärmequelle ist im Vergleich zu der Temperatur, auf der die Abwärme abgegeben werden kann. Die nutzbare Temperatur ist oft niedriger als die für den Wärmeerzeuger mögliche Temperatur, weil sie durch die Temperatur- und Druckbelastbarkeit der Materialien z. B. von Turbinenschaufeln begrenzt ist. Die höchsten Wirkungsgrade von ca. 60 % werden erreicht von Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken, während moderne Kohlekraftwerke deutlich unter 50 % liegen. Bei alten Anlagen kommen auch Wirkungsgrade unter 40 % häufig vor.

Die genannten Wirkungsgrade von Kraftwerken beziehen sich auf die Energie in den verwendeten Energieträgern, so wie sie beim Kraftwerk angeliefert werden. Beispielsweise wird also der hohe Energieaufwand für die Gewinnung von Steinkohle, Braunkohle oder Kernbrennstoffen hierbei nicht berücksichtigt, wohl aber der Energieaufwand beispielsweise für Kohlemühlen als Teil der Kraftwerksanlage.

Im Teillastbetrieb ist der Wirkungsgrad oft deutlich niedriger.

Die genannten Wirkungsgrade gelten für den Betrieb mit Volllast. Im Teillastbetrieb, der z. B. im Lastfolgebetrieb oder für die Bereitschaft zur Erzeugung von positiver Regelenergie nötig ist, kann der Wirkungsgrad deutlich abnehmen. Ein Betrieb mit weniger als 50 % Auslastung und/oder mit schnellen Leistungsänderungen ist meist unwirtschaftlich. Außerdem entstehen erhebliche zusätzliche Verluste (der Anfahrwärmeverbrauch), wenn ein Kraftwerk z. B. im Mittellastbetrieb täglich neu angefahren werden muss.

Mit Kraft-Wärme-Kopplung kann die Energieausnutzung verbessert werden.

Der gesamte Nutzungsgrad kann erhöht werden durch Kraft-Wärme-Kopplung, d. h. durch die Nutzung der anfallenden Abwärme. Man spricht dann von Heizkraftwerken. (Wärmekraftwerke mit Dampfturbinen ohne Abwärmenutzung werden dagegen als Kondensationskraftwerke bezeichnet.) Wenn bei einem Dampfturbinenkraftwerk Nutzwärme z. B. als Fernwärme ausgekoppelt wird, sinkt meist der elektrische Wirkungsgrad etwas ab, während dies z. B. bei Kraftwerken mit Verbrennungsmotoren nicht der Fall ist.

Praktisch alle Großkraftwerke mit der Ausnahme von Wasserkraftwerken sind Wärmekraftwerke, und in den meisten Ländern erzeugen diese bisher den größten Teil der elektrischen Energie, weil viele verfügbare Energieträger zunächst einmal nur zur Erzeugung von Wärme geeignet sind. Wegen der begrenzten Wirkungsgrade dieser Kraftwerke fallen sehr große Mengen von Abwärme an, die am Standort oft kaum nutzbar ist. Sie wird dann über Kühltürme in die Atmosphäre abgegeben, zum Teil auch über Kühlwasser in Flüsse.

Die fossil befeuerten Wärmekraftwerke verursachen meist einen erheblichen Anteil der gesamten klimaschädlichen CO2-Emissionen eines Landes. Hinzu kommen andere schädliche Emissionen, die vor allem die Luftqualität beeinträchtigen, vor allem bei Kohlekraftwerken.

Eigenbedarf

Wärmekraftwerke haben einen erheblichen Eigenbedarf für den Betrieb von Komponenten wie Speisewasserpumpen, Kohlemühlen und Rauchgasreinigungsanlagen. Bei einem Kohlekraftwerk mit z. B. 500 MW elektrischer Leistung kann es sich um mehr als 20 MW handeln.

Im Betrieb wird der Eigenbedarf vom eigenen Generator gedeckt (und wird bei der Angabe des Netto-Wirkungsgrads berücksichtigt). Wenn ein Wärmekraftwerk jedoch erst hochgefahren wird, muss die Deckung des Eigenbedarfs in der Regel zunächst aus dem Stromnetz erfolgen. Ein Schwarzstart (ohne äußere Energiezufuhr) ist also nicht möglich. Nach einem größeren Stromausfall müssen also zunächst schwarzstartfähige Kraftwerke (z. B. Pumpspeicherkraftwerke) gestartet werden, bevor Wärmekraftwerke wieder in Betrieb gehen können.

Leistungsbereich und Leistungsänderungsgeschwindigkeit

Die Leistungsabgabe eines Wärmekraftwerks kann dem Bedarf angepasst werden: Kurzfristig z. B. durch Betätigung einer Regelstufe zur Veränderung der in die Dampfturbinen strömenden Dampfmenge, längerfristig durch Änderung der Feuerungsleistung. Hierbei gibt es jedoch Grenzen:

Siehe auch: Kraftwerk, Großkraftwerk, Wärmekraftmaschine, Dampfturbine, Gasturbine, Kernkraftwerk, Kohlekraftwerk, Ölkraftwerk, Gaskraftwerk, Geothermie, Solarthermie, Carnot-Wirkungsgrad, Leistungsänderungsgeschwindigkeit
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

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