- Kraftwerk - Prof. Dr. Mintken
In Deutschland sind nach einer Liste des Umweltbundesamtes derzeit knapp 300 Kraftwerke mit einer Bruttoleistung von jeweils mindestens 100 Megawatt (MW) betriebsfähig. Gut 90 % dieser Kraftwerke dienen der öffentlichen Energieversorgung, einschließlich der Versorgung öffentlicher elektrischer Bahnen mit der nötigen Betriebsenergie. Die verbleibenden Kraftwerke befriedigen als Industriekraftwerke den industriellen Eigenbedarf. Mehr als ein Drittel der Kraftwerke dient außer zur Versorgung mit elektrischer Energie auch der Versorgung mit Fernwärme. Überwiegt die Wärmeleistung die elektrische Leistung, wird ein solches Kraftwerk als Heizkraftwerk bezeichnet.
Als Brennmaterial wird in den Kraftwerken am häufigsten Steinkohle genutzt (76 Fälle), gefolgt von Erdgas (74 Fälle) und Braunkohle (51 Fälle). Heizöl wird lediglich in 9 Kraftwerken als Primärenergieträger verwendet. Einige Kraftwerke sind sowohl für die Nutzung von Erdgas als auch von Steinkohle ausgelegt.
Die elektrische Bruttoleistung dieser großen Kraftwerke liegt bei dem häufigsten Typ, dem Dampfkraftwerk, im Durchschnitt bei etwa 400 MW; besonders große Kraftwerke dieses Typs sind für 700 bis 900 MW ausgelegt. Deutlich höher liegen die Leistungen der 9 deutschen Kernkraftwerke mit einem Mittelwert von etwa 1400 MW.
Bedarfsgerechte Energiemengen bei niedrigen Kosten
In Dampfkraftwerken wird Brennmaterial verfeuert, um mit der dabei entstehenden Hitze Wasserdampf zu erzeugen. Der Wasserdampf treibt nach Verdichtung unter hohem Druck eine Dampfturbine an, die über eine Welle mit einem Generator verbunden ist. Die von der Turbine abgegebene Bewegungsenergie wird durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt. In Kraftwerken mit Gasturbinen wird unter hohem Druck und Luftzufuhr Gas oder Heizöl in der Brennkammer der Turbine verbrannt, um mit dem gasförmigen Verbrennungsprodukt eine Drehbewegung zu erzeugen, die wiederum einen Generator antreibt.
Jede Energieumwandlung verursacht Verluste, der Wirkungsgrad als das Verhältnis von Ergebnis und Einsatz liegt also bei den Umwandlungsprozessen unter 100 %. Der Wirkungsgrad beeinflusst neben den Kosten für das Brennmaterial das wirtschaftliche Ergebnis, so dass Anlagen mit hohem Wirkungsgrad unter sonst gleichen Bedingungen zu bevorzugen sind. Aus diesem Grund werden statt der Gasturbinenkraftwerke große Kraftwerke als Gas- und Dampfkraftwerke (GuD-Kraftwerke) betrieben. In der Gasturbine eines GuD-Kraftwerks wird Erdgas verbrannt, die Turbine treibt den Generator an; mit der insgesamt entstehenden Abwärme wird Wasserdampf erzeugt, der eine Dampfturbine antreibt, die zusätzlich an den Generator gekuppelt wird. In den neuesten GuD-Kraftwerken wird ein Wirkungsgrad von knapp über 60 % erreicht, während ältere Gasturbinenkraftwerke einen Wirkungsgrad von ca. 40 % bis 45 % aufweisen. Ältere Braunkohlekraftwerke arbeiten ebenso wie mit Heizöl betriebene Dampfkraftwerke mit einem Wirkungsgrad von etwa 33 %, in Dampfkraftwerken mit Steinkohlefeuerung wird ein Wirkungsgrad von rund 40 % erreicht.
Der Energiebedarf in einem Versorgungsgebiet schwankt: innerhalb eines Tages, von Tag zu Tag, jahreszeitlich. Da elektrische Energie nicht in großem Umfang direkt gespeichert werden kann, muss die aktuell bereitgestellte Energie den Bedarfsschwankungen folgen. Die Energieversorger teilen daher die gesamte notwendige elektrische Energie in Grundlast, Mittellast und Spitzenlast. Die Grundlast tritt kontinuierlich auf, sie wird befriedigt durch die kostengünstigen Dampfkraftwerke mit Braunkohleeinsatz sowie durch Kernkraftwerke. Für den ergänzenden Mittellastbereich werden vorzugsweise Dampfkraftwerke mit Steinkohlefeuerung genutzt. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen dienen zur Abdeckung der Spitzenlast GuD-Kraftwerke, die zwar wegen der Erdgas-Preise hohe Betriebskosten verursachen, aber schnell auf Last-Änderungen reagieren können.
Drei-Phasen-Wechselspannung für das öffentliche Energienetz
Die Generatoren in den Kraftwerken erzeugen Wechselspannung, dies bedeutet, dass die Polarität der Spannung regelmäßig wechselt. Mit jeder vollen Rotor-Umdrehung wird genau 1 Wechsel vollzogen, sofern der Elektromagnet des Rotors über je 1 Nord- und Südpol verfügt. Die Spannung steigt in einer vollen Periode von Null auf den positiven Höchstwert, kehrt auf Null zurück, steigt dann auf den negativen Höchstwert und kehrt auf den Wert Null zurück, die grafische Darstellung eines solchen zeitlichen Verlaufs entspricht der Sinuskurve. In Deutschland sind im öffentlichen Energienetz 50 Wechsel pro Sekunde vorgesehen. Die Anzahl der Wechsel pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet und in der Einheit Hertz (Hz) angegeben. Zur Erzeugung der Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz muss der Rotor des Generators also mit genau 3000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden.
Wechselspannung ist im Gegensatz zu Gleichspannung auf höhere oder niedrigere Werte transformierbar. Dies hat Vorteile für den Transport und die Verteilung der elektrischen Energie, denn bei hohen Spannungen genügen niedrige Ströme, um die Energie an die Bedarfsstelle zu leiten, so dass die von der Höhe des Stromes abhängigen Leitungsverluste niedrig gehalten werden können.
Die Wechselspannung wird in Form der Drei-Phasen-Wechselspannung bereitgestellt. Dies wird dadurch erreicht, dass im ringförmigen Stator 3 voneinander getrennte Windungsbereiche geschaffen werden, die räumlich um ein Drittel des Kreisbogens gegeneinander versetzt sind, also um jeweils 120 Grad. Mit 1 Rotor-Umdrehung werden somit 3 Spannungen erzeugt, deren zeitlicher Kurvenverlauf jeweils um 120 Grad gegeneinander versetzt ist. Bei geschlossenen Stromkreisen wird nur 1 gemeinsamer Rückleiter als Neutralleiter oder Mittelpunktleiter benötigt. Somit wird der Energietransport über ein Vierleiter-System ermöglicht.
Die Generatoren in den Kraftwerken liefern eine Spannung in der Größenordnung von etwa 20 Kilovolt (kV). Für den Transport im Höchstspannungsnetz wird diese Spannung auf 220 kV oder 380 kV transformiert. Über Hoch- und Mittelspannungsnetze werden die Verteilnetze erreicht, die Betriebe und Haushalte mit den erforderlichen Spannungen versorgen. Für Haushalte wird in Deutschland der Hausanschluss dreiphasig mit 400 V hergestellt, so dass bei einphasigem Betrieb 230 V zur Verfügung stehen.
Literatur- und Quellenhinweise
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie: Energie in Deutschland. Berlin 2010
Umweltbundesamt: Datenbank „Kraftwerke in Deutschland“ (Stand 2011-09-09)
Karl-Heinz Mintken - Prof. Dr. Karl-Heinz Mintken VDI Freier Wissenschaftler Dipl.-Päd. Dipl.-Ing. Aktuell: Lehr- und Prüfungstätigkeit ...
