Kraftwerk – Komponenten, Arbeitsweise und Standortauswahl

Was ist ein thermisches Kraftwerk?

Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass Energie nicht geschaffen oder vernichtet werden kann, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Elektrische Energie insbesondere kann aus verschiedenen Energiequellen gewonnen werden. Einrichtungen, die darauf ausgelegt sind, großflächig elektrische Energie zu erzeugen, werden allgemein als Kraftwerke oder Stromerzeugungsanlagen bezeichnet.

Ein thermisches Kraftwerk ist eine Art von Energieerzeugungsanlage, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Wärmeenergie für diese Anlagen kann aus verschiedenen Quellen stammen, darunter Kohle, Diesel, Biokraftstoffe, Solarenergie und Kernenergie. Obwohl der Begriff „thermisches Kraftwerk“ technisch gesehen Anlagen mit verschiedenen Wärmequellen umfassen kann, wird er am häufigsten mit Anlagen assoziiert, die auf Kohle angewiesen sind, um Wärme zu erzeugen. Daher gelten thermische Kraftwerke als konventionelle Energieerzeugungssysteme. Sie werden manchmal auch als Dampfturbinenkraftwerke oder Kohlekraftwerke bezeichnet, was die primäre Brennstoffquelle und den Schlüsselmechanismus zur Energieumwandlung widerspiegelt.

Funktionsweise eines thermischen Kraftwerks

Thermische Kraftwerke arbeiten auf der Basis des Rankine-Zyklus, einem grundlegenden thermodynamischen Zyklus zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit, die dann verwendet wird, um Elektrizität zu erzeugen. Das folgende Einzeilendiagramm oder Layout eines thermischen Kraftwerks bietet eine visuelle Darstellung seiner operativen Komponenten und Prozesse.

Die Funktionsweise und Komponenten eines thermischen Kraftwerks

Betriebsprozess

Thermische Kraftwerke erfordern eine beträchtliche Menge an Brennstoff, meistens Kohle. Angesichts der großen Menge wird Kohle normalerweise per Bahn transportiert und in speziellen Brennstofflagerbereichen gelagert. Ursprünglich ist die rohe Kohle zu groß, um direkt im Kessel verwendet zu werden. Um dies zu beheben, wird sie in einen Brecher eingespeist, der sie in kleinere, handhabbare Stücke zerkleinert, bevor sie zum Kessel befördert wird.

Neben der Kohle ist eine beträchtliche Menge Wasser für die Dampferzeugung im Kessel unerlässlich. Bevor das Wasser in das System eingeht, durchläuft es einen Behandlungsprozess. Es passiert verschiedene Filter, um Verunreinigungen und gelöste Luft zu entfernen, um seine Reinheit sicherzustellen. Nach der Behandlung wird das Wasser in den Kesselkasten geleitet. Im Kesselkasten wird die durch die Verbrennung der Kohle erzeugte Wärme an das Wasser abgegeben. Als Ergebnis wechselt das Wasser die Phase und verwandelt sich in Dampf.

Der erzeugte Dampf ist hochdruck- und hochtemperaturbehaftet, was ihn ideal für die Energieerzeugung macht. Dieser Dampf wird dann in einen Überhitzer geleitet, wo er weiter erhitzt wird, um seine thermische Energie zu erhöhen. Der überhitzte Dampf wird anschließend auf die Turbinenschaufeln gerichtet. Während der Dampf über die Turbinenschaufeln fließt, wird seine thermische Energie durch die Turbine in mechanische Rotationsenergie umgewandelt.

Die Turbine ist mechanisch über eine gemeinsame Welle mit einem Generator verbunden. Während die Turbine rotiert, treibt sie den Rotor des Generators an. Der Generator wandelt diese mechanische Energie schließlich in elektrische Energie um. Um die erzeugte elektrische Energie effizient über lange Entfernungen zu übertragen, wird sie durch einen Transformator geleitet, der die Spannung erhöht. Das Hochspannungsstrom wird dann über Transmissionsleitungen gesendet, um die Endverbraucher oder Lasten im Stromnetz zu erreichen.

Nachdem der Dampf durch die Turbine geflossen ist, wird er, jetzt bei niedrigerem Druck und Temperatur, in einen Kondensator geleitet. Im Kondensator zirkuliert kaltes Wasser um den Dampf, wodurch dieser wieder in seinen Flüssigkeitszustand kondensiert. Dieser Kondensationsprozess gibt die verbleibende Wärme aus dem Dampf ab, reduziert effektiv seinen Druck und seine Temperatur. Durch die Rückgewinnung des Wassers auf diese Weise wird die Effizienz des Energieerzeugungszyklus verbessert.

Das kondensierte Wasser wird dann mit Hilfe eines Speisewasserpumpen zurück in den Kessel gepumpt, bereit, erneut erhitzt und in Dampf umgewandelt zu werden, so dass der Zyklus abgeschlossen ist. Inzwischen wird die Asche, die als Nebenprodukt der Kohleverbrennung entsteht, aus dem Kesselofen entfernt. Eine ordnungsgemäße Entsorgung dieser Asche ist entscheidend, um Umweltschäden zu vermeiden. Zudem werden während der Kohleverbrennung im Kessel Abgase erzeugt und durch den Schornstein in die Atmosphäre abgeleitet.

Wesentliche Komponenten

Ein thermisches Kraftwerk besteht aus mehreren integrierten Komponenten, die harmonisch zusammenarbeiten, um den Energieerzeugungsprozess zu ermöglichen:

• Kessel: Das Herzstück des thermischen Kraftwerks, wo die Kohleverbrennung stattfindet und Wärme an Wasser abgegeben wird, um Dampf zu erzeugen.

• Turbine: Wandelt die thermische Energie des Hochdruckdampfs in mechanische Rotationsenergie um.

• Überhitzer: Erhöht die Temperatur des in dem Kessel erzeugten Dampfs, um dessen Energiegehalt für eine effizientere Energieerzeugung zu steigern.

• Kondensator: Kondensiert den Ausgangsdampf der Turbine wieder in Wasser, wodurch Wärme gewonnen und die Effizienz des Kreislaufs aufrechterhalten wird.

• Ökonomizer: Vorwärmung des Speisewassers mit der Wärme der Abgase, um den Gesamtenergieverbrauch des Kessels zu reduzieren.

• Speisewasserpumpe: Zirkuliert das kondensierte Wasser vom Kondensator zurück zum Kessel, um eine kontinuierliche Versorgung für die Dampferzeugung sicherzustellen.

• Generator: Wandelt die mechanische Energie der Turbine in elektrische Energie um, die über das Stromnetz verteilt werden kann.

• Schornstein: Leitet die Abgase, die bei der Kohleverbrennung entstehen, in kontrollierter Weise in die Atmosphäre ab.

• Kühlturm: Fördert die Kühlung des Wassers, das im Kondensator verwendet wird, und ermöglicht dessen Wiederverwendung im Energieerzeugungsprozess.

Komponenten, Standortauswahl und Effizienz von thermischen Kraftwerken

Wesentliche Komponenten von thermischen Kraftwerken

Kessel

Pulverisierte Kohle, begleitet von vorgeheizter Luft, wird in den Kessel eingespeist, der als zentrale Komponente für die Erzeugung von Hochdruckdampf dient. Seine Hauptfunktion besteht darin, die in der Kohle gespeicherte chemische Energie durch den Verbrennungsprozess in thermische Energie umzuwandeln. Während die Kohle im Kessel brennt, erzeugt sie intensive Hitze, die ausreichend ist, um Wasser in Dampf umzuwandeln. Die Größe des Kessels wird direkt durch die Wärmebedürfnisse des thermischen Kraftwerks bestimmt. Es gibt eine Vielzahl von Kesseln, die in thermischen Kraftwerken eingesetzt werden, darunter Haycock- und Wagon-Top-Kessel, Feuerrohrkessel, zylindrische Feuerrohrkessel und Wasserrohrkessel, jeder mit eigenen Designmerkmalen und betrieblichen Vorteilen.

Turbine

Hochdruck- und hochtemperaturüberhitzter Dampf, der im Kessel erzeugt wird, wird in Richtung der Turbine geleitet. Wenn dieser Dampf auf die Turbinschaufeln trifft, setzt er die Turbine in Bewegung. Die Turbine ist ein komplexes mechanisches Gerät, das speziell entwickelt wurde, um die thermische Energie des Dampfs in rotierende kinetische Energie umzuwandeln. Mechanisch über eine Welle mit einem Generator verbunden, treibt die Rotation der Turbine den Generator-Rotor an. Sobald der Dampf durch die Turbine geflossen ist, sinken seine Temperatur und sein Druck, und er wird dann in den Kondensator geleitet, um weiter verarbeitet zu werden.

Überhitzer

In einem Dampfturbinen-basierten Energieerzeugungssystem ist überhitzter Dampf für eine effiziente Turbinenbetriebsweise unerlässlich. Nasser und sättigter Dampf, der aus dem Kessel kommt, wird in den Überhitzer eingespeist. Dieses Gerät spielt eine entscheidende Rolle dabei, den Dampf in trockenen und überhitzten Dampf zu verwandeln, wodurch sein thermischer Energiegehalt signifikant erhöht wird. Unter allen Komponenten eines thermischen Kraftwerks arbeitet der Überhitzer bei den höchsten Temperaturen. Drei Hauptarten von Überhitzern werden häufig eingesetzt: Konvektionsüberhitzer, die Wärme durch Konvektionsströmungen übertragen; Strahlungsüberhitzer, die auf strahlender Wärmeübertragung basieren; und separat befeuerte Überhitzer. Indem die Temperatur des von dem Kessel erzeugten Dampfs erhöht wird, steigert der Überhitzer die Gesamteffizienz des Energieerzeugungsprozesses.

Kondensator

Nachdem der Dampf durch die Turbine geflossen ist und seine Temperatur und sein Druck gesunken sind, wird der Austrittsdampf in den Energieerzeugungszyklus zurückgeführt. Um die Turbineneffizienz zu optimieren, muss dieser Dampf kondensiert und ein angemessenes Vakuum hergestellt und aufrechterhalten werden. Der Kondensator erreicht dies, indem er den Betriebsdruck reduziert und damit das Vakuum erhöht. Diese Erhöhung des Vakuums führt dazu, dass sich das Volumen des Dampfs ausdehnt, wodurch mehr Arbeit aus dem Dampf in der Turbine gewonnen werden kann. Dadurch verbessert sich die Gesamteffizienz des Kraftwerks, was eine entsprechende Erhöhung der Turbinenleistung zur Folge hat.

Ökonomizer

Der Ökonomizer ist ein spezialisiertes Wärmetauschergerät, das entwickelt wurde, um den Energieverbrauch im Kraftwerk zu minimieren. Abgase, die reich an thermischer Energie sind, werden aus dem Kessel in die Atmosphäre abgeleitet. Der Ökonomizer nutzt die Wärme dieser Abgase, um das Wasser vorzuwärmen. Das aus dem Kondensator gewonnene Wasser wird durch die Speisewasserpumpe in den Ökonomizer gepumpt. Dort absorbiert es die Wärme der Abgase, wodurch seine Temperatur gesteigert wird, bevor es in den Kessel eingeht. Durch die Wiederverwendung der Abfallwärme der Abgase verbessert der Ökonomizer die Gesamteffizienz des Energieerzeugungszyklus signifikant.

Speisewasserpumpe

Die Speisewasserpumpe ist dafür verantwortlich, Wasser in den Kessel zu liefern. Die Wasserverbindung kann entweder das kondensierte Wasser aus dem Kondensator oder frisches Wasser sein. Diese Pumpe erhöht den Wasserdruck, um eine kontinuierliche und ausreichende Versorgung zu gewährleisten, um den Anforderungen des Kessels gerecht zu werden. Üblicherweise sind Speisewasserpumpen entweder zentrifugale oder positive Displacement-Pumpen, jede mit eigenen Vorteilen hinsichtlich Leistung und Effizienz.

Generator

Mechanisch über eine gemeinsame Welle mit der Turbine verbunden, spielt der Generator eine zentrale Rolle im Energieerzeugungsprozess. Während die Turbine unter der Kraft des Dampfs rotiert, treibt sie den Generator-Rotor an. Diese Rotation induziert ein elektromagnetisches Feld, das elektrische Energie erzeugt. Im Wesentlichen dient der Generator als Konverter, der die kinetische Energie der Turbinenrotation in elektrische Energie umwandelt, die übertragen und über das Stromnetz verteilt werden kann.

Schornstein

In den meisten thermischen Kraftwerken, die Kohle als Brennstoff verwenden, entstehen während des Verbrennungsprozesses im Kessel Abgase. Der Schornstein bietet einen Weg, über den diese Abgase sicher in die Atmosphäre abgeleitet werden können. Seine Funktion basiert auf den Prinzipien des natürlichen Zug und des Schornstein-Effekts. Heißer Luft, die weniger dicht ist, steigt, was einen Zug erzeugt, der die Abgase nach oben zieht. Die Höhe des Schornsteins ist ein kritischer Faktor; höhere Schornsteine erzeugen einen stärkeren Zug, was eine effizientere Gasdispersion fördert.

Kühlturm

Wie der Name schon sagt, wird der Kühlturm hauptsächlich verwendet, um Abfallwärme in die Atmosphäre abzugeben. Mit verschiedenen Wärmeübertragungsmethoden ermöglicht der Kühlturm, dass die Wärme aus dem Wasser verdampft, wobei kühleres Wasser zurückbleibt, das im Energieerzeugungszyklus wiederverwendet werden kann. Das im Kondensator kondensierte Wasser wird in den Kühlturm geleitet. Gezwungene Strömungskühltürme werden häufig in thermischen Kraftwerken eingesetzt, wobei Luft von unten nach oben durch den Turm zirkuliert, um die Wärmeübertragungseffizienz zu erhöhen.

Standortauswahlkriterien für thermische Kraftwerke

Verfügbarkeit von Brennstoff

Da Kohle der vorherrschende Brennstoff in den meisten thermischen Kraftwerken ist und eine beträchtliche Menge für die Großflächige Stromerzeugung erforderlich ist, ist es äußerst vorteilhaft, das Kraftwerk in der Nähe eines Kohlebergwerks zu errichten. Diese Nähe reduziert erheblich die Transportkosten und macht den Energieerzeugungsprozess wirtschaftlicher.

Transporteinrichtungen

Thermische Kraftwerke beherbergen zahlreiche großdimensionierte Maschinen und Geräte. Daher muss der Standort des Kraftwerks in einem Gebiet mit ausgezeichneter Transportinfrastruktur ausgewählt werden. Zuverlässige Bahn- oder Straßenverbindungen sind für den effizienten Transport von Kohle sowie für die Lieferung neuer Geräte und den Transport von Arbeitern, Technikern und Ingenieuren unerlässlich. Darüber hinaus stellt die Verfügbarkeit öffentlicher Verkehrsmittel in der Nähe sicher, dass der Personalbestand des Kraftwerks leicht zugänglich ist.

Verfügbarkeit von Wasser

Ein thermisches Kraftwerk benötigt eine enorme Menge an Wasser, um Hochdruck- und Hochtemperaturdampf zu erzeugen. Folglich sollte das Kraftwerk in der Nähe eines Flussufers oder an einem Ort mit konstanter und reicher Wasserversorgung errichtet werden, um den kontinuierlichen Bedarf an Wasser für die Dampferzeugung und Kühlprozesse zu decken.

Verfügbarkeit von Land

Der Bau eines thermischen Kraftwerks erfordert eine große Fläche. Darüber hinaus sollte der Bodenpreis angemessen sein. Bei der Standortwahl sollten auch Vorsorge für zukünftige Erweiterungen getroffen werden. Da das Kraftwerk schwere Maschinen beherbergt, muss der Boden eine ausreichende Tragfähigkeit haben, und ein robustes Fundament ist notwendig, um die Geräte zu stützen.

Entfernung von bewohnten Gebieten

Thermische Kraftwerke geben während des Betriebs Abgase, Asche, Staub und Rauch ab, die erhebliche Gesundheitsrisiken für Menschen bergen und Schaden in der umliegenden Atmosphäre und Landschaft verursachen können. Um diese Auswirkungen zu minimieren, sollte das Kraftwerk weit von städtischen Gebieten, Wohngebieten und landwirtschaftlichen Flächen entfernt errichtet werden. Darüber hinaus erfordert der Lärm, der von den Maschinen des Kraftwerks wie Generatoren, Transformern, Ventilatoren und Turbinen erzeugt wird, seine Platzierung an einem abgelegenen Ort.

Ascheentsorgungseinrichtung

Die Kohleverbrennung führt zur Erzeugung von Asche, die etwa 30-40% des gesamten Kohleverbrauchs ausmacht. Eine ordnungsgemäße Ascheentsorgung ist von größter Wichtigkeit. Asche wird aus dem Boden des Kesselofens gesammelt, und ein großer Teil davon wird von den Abgasen mitgetragen. Um Asche effektiv zu verwalten, werden zwei Hauptaschehandlungssysteme eingesetzt: das Bodenaschehandlungssystem und das Flugaschehandlungssystem. Der Standort des Kraftwerks sollte geeignete Einrichtungen für die sichere und umweltfreundliche Entsorgung dieser Asche bieten.

Nähe zum Lastzentrum

Die von dem Generator erzeugte elektrische Energie wird durch einen Starkstromtransformator in Spannung gesteigert, bevor sie über Transmissionsleitungen zum Lastzentrum übertragen wird. Die Lage des thermischen Kraftwerks in der Nähe des Lastzentrums reduziert Transportkosten und -verluste und sorgt für eine effizientere und kostengünstigere Stromverteilung.

Effizienz von thermischen Kraftwerken

In einem thermischen Kraftwerk umfasst die Stromerzeugung mehrere Energiewandlungsstufen. Zuerst wird die chemische Energie der Kohle in thermische Energie umgewandelt. Diese thermische Energie wird dann in kinetische oder mechanische Energie umgewandelt, die schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Aufgrund dieser mehrstufigen Energieumwandlungsprozesse ist die Gesamteffizienz von thermischen Kraftwerken relativ gering, normalerweise zwischen 20-29%.

Die Effizienz eines thermischen Kraftwerks wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter die Größe des Kraftwerks und die Qualität der verwendeten Kohle. Eine beträchtliche Menge an Wärmeenergie geht während des Energieerzeugungsprozesses im Kondensator verloren. Es gibt zwei Hauptarten von Effizienzmetriken, die zur Bewertung von thermischen Kraftwerken verwendet werden:

Thermische Effizienz

Die thermische Effizienz ist definiert als das Verhältnis der mechanischen Energie, ausgedrückt in Wärmeerzeugungsäquivalenten, die an der Turbine verfügbar ist, zur gesamten Wärmeenergie, die während der Kohleverbrennung im Kessel freigesetzt wird. Sie misst die Effektivität der Umwandlung der Wärmeenergie aus der Kohleverbrennung in nützliche mechanische Arbeit in der Turbine.

Thermische Effizienz

Thermische Kraftwerke erreichen in der Regel eine annähernde thermische Effizienz von 30%. Ein beträchtlicher Teil, etwa 50% der gesamten erzeugten Wärmeenergie, wird als Abfallwärme im Kondensator abgegeben. Der Rest der Wärmeenergie geht über verschiedene andere Kanäle verloren, wie in den Abgasen, die aus dem Schornstein abgeleitet werden, und in der Asche, die während der Kohleverbrennung entsteht. Dieser erhebliche Wärmeverlust im Kondensator und anderswo unterstreicht die inhärenten Ineffizienzen traditioneller thermischer Energieerzeugungsprozesse.

Gesamteffizienz

Die Gesamteffizienz eines thermischen Kraftwerks wird als das Verhältnis des Wärmeerzeugungsäquivalents der elektrischen Ausgabe zur gesamten Wärme, die während der Kohleverbrennung freigesetzt wird, berechnet. Diese Metrik bietet eine umfassende Messung der Leistung des Kraftwerks, die alle Stufen der Energieumwandlung von der ursprünglichen chemischen Energie, die in der Kohle gespeichert ist, bis hin zur endgültigen elektrischen Energie, die in das Stromnetz eingespeist wird, umfasst. Sie spiegelt wider, wie effektiv das Kraftwerk die Energie in der Kohle in nutzbaren elektrischen Strom umwandeln kann, wobei die Verluste, die an jedem Schritt des komplexen Energieerzeugungsprozesses auftreten, berücksichtigt werden.

Gesamteffizienz von thermischen Kraftwerken

Die Gesamteffizienz eines thermischen Kraftwerks umfasst alle Verluste, die während des gesamten Energieerzeugungszyklus auftreten. Dazu gehören Ineffizienzen während der Kohleverbrennung, Wärmeübertragungsprozesse, der Betrieb der Dampfturbine und entscheidend, die Leistung des Generators, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Jede dieser Stufen trägt zu den Gesamtenergieverlusten bei und bestimmt letztendlich den Anteil der ursprünglichen Energie in der Kohle, die erfolgreich in nutzbaren elektrischen Strom umgewandelt wird.

Die Gesamteffizienz eines thermischen Kraftwerks hängt eng mit seiner Größe und Leistung zusammen, normalerweise in Megawatt (MW) gemessen. Als Faustregel gibt es eine direkte Korrelation zwischen der Kapazität eines thermischen Kraftwerks und seiner Effizienz: Kraftwerke mit geringerer Kapazität tendieren dazu, geringere Gesamteffizienzen aufzuweisen. Kleinere Kraftwerke verfügen oft nicht über die Skaleneffekte und optimierten Designmerkmale, die größere Kraftwerke haben, was zu höheren relativen Energieverlusten an jeder Stufe des Energieerzeugungsprozesses führt. Dies bedeutet, dass ein größerer Teil der Energie aus dem Brennstoff verschwendet wird, was die Menge an Strom, der pro Brennstoffeinheit erzeugt werden kann, reduziert.