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Abb. 2: Übersicht über ausgewählte Prinzipien zur Stromerzeugung.
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Abb. 3: Prinzipdarstellung des thermodynamischen Kreisprozesses in einem Kraftwerk mit Dampfturbine (Hochdruckprozess). Werte nach Stand der Technik.
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Abb. 4: Die Temperaturdifferenz im Kraftwerksprozess.
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Abb. 5: Wirkungsgrade verschiedener Kraftwerksprozesse.
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Physikalische Grundlagen

In Kraftwerken wird Energie aus Wärme, Bewegung oder chemischen Verbindungen in elektrischen Strom umgewandelt. Einen Überblick über die verschiedenen Kraftwerksverfahren bietet Abb. 2.

Fossile Kraftwerke sind Wärme-Kraft-Maschinen. In einem thermodynamischen Kreisprozess wird durch Verbrennung chemische Energie aus Kohle oder Erdgas in Wärme und Abgase überführt. Die in diesem heißen Dampf oder im Verbrennungsgas enthaltene Energie drückt auf die Schaufeln einer oder mehrerer Turbinen und versetzt sie so in Drehung. In den daran angeschlossenen Generatoren entsteht dann elektrischer Strom.

Physikalisch vereinfacht beschrieben ist der Kraftwerksprozess in einem fossilen Kraftwerk (Abb. 3) eine Anwendung von Erkenntnissen aus der Wärmelehre (→Thermodynamik), der Gasgesetze und der Strömungsmechanik. Auch im Kraftwerksprozess gilt: Bei der Umwandlung von einer Energieform in eine andere geht keine Energie verloren (→ 1. Hauptsatz der Thermodynamik). Aber die Primärenergie in Form der Brennstoffe lässt sich nicht vollständig in Kraft (Strom) umwandeln (→ 2. Hauptsatz der Thermodynamik). Der Teil, der sich in Kraft umwandeln lässt, wird physikalisch Exergie genannt, der nicht-umwandelbare Teil Anergie. Im Kraftwerksprozess sind für die Steigerung der Exergie Temperatur und Druck wichtige Größen.

Bei der Umwandlung von Wärme in Kraft benötigt man je ein Reservoir mit hoher Temperatur und eins mit niedriger Temperatur (Abb. 4). Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto effizienter läuft der Prozess ab. In der Kraftwerkstechnik bemüht man sich daher um eine Anhebung der oberen Temperatur, da die untere Temperatur (z. B. Flusswasser) kaum zu verändern ist.

Die Erhöhung des Drucks im Wasser-/Dampfkreislauf ist der zentrale Ansatz für effizientere Kraftwerke. Genutzt werden hier die physikalischen Eigenschaften von Gasen. Der Zustand eines Gases wird durch die Größen Temperatur, Druck und Volumen bestimmt. Beispielsweise kann man die Temperatur eines weitgehend wärmeisolierten Gases durch Druckerhöhung anheben, ohne weitere Wärme zuzuführen. Physikalisch heißt dieser Vorgang adiabate Erwärmung. Im Alltag ist er beim Benutzen an einer Luftpumpe zu beobachten.

Im Kraftwerksprozess ist es etwas komplizierter: das „kalte“ Speisewasser wird adiabat auf einen Druck von 220 – 290 bar komprimiert und anschließend in einem mehrstufigen Prozess auf eine Temperatur von 540 – 600 °C erwärmt. Oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes (374 °C Temperatur/ 220 bar Druck ) entsteht „überkritischer Wasserdampf“, d. h. es kann nicht mehr zwischen Gas und Flüssigkeit unterschieden werden. Durch diese Druck- und Temperaturverhältnisse erhöht sich der Wirkungsgrad der Turbine. Der Hochdruck- Wasserdampf entspannt sich in der Turbine, die er antreibt, und kühlt sich dabei ab. Die Nutzung der Wärmerückgewinnung auf allen Temperaturstufen und der Zwischenüberhitzung verbessert den Prozesswirkungsgrad weiter. Der Wirkungsgrad gibt in Prozent an, wie viel des ursprünglichen Energieträgers in Strom umgewandelt wird (Abb. 5).

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