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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Energie – Erzeugung, 
Handel und Transport (4)

Nach den fossilen und erneuerbaren Energieträgern, den Auswirkungen ihrer Nutzung auf die Umwelt und verschiedenen Aspekten der deutschen Energiewende stehen im vierten Teil dieser Serie Stromerzeugungstechnologien auf 
Basis fossiler Brennstoffe im Mittelpunkt. Es geht darum, wie Dampf-, Gas-
turbinen- sowie GuD-Kraftwerke aufgebaut sind und funktionieren.

Rotor einer Dampfturbine. Die Schaufelsätze werden in Strömungsrichtung größer, da das Dampfvolumen zunimmt (Quelle: Siemens)

Bild 2: Prinzip des Clausius-Rankine-Prozesses (Quelle: V. Sperlich/Chris828, CC BY-SA 2.0)

Carnot-Wirkungsgrad

Bei Kreisprozessen zirkuliert in einem geschlossenen System ein Arbeitsmedium, zum Beispiel Wasser, nimmt dabei unterschiedliche Zustände an und kehrt ohne Verlust bei den Parametern Volumen, Druck, Temperatur, innere Energie und Entropie in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Er ist ein idealer Kreisprozess, wenn keine Verluste durch Reibung oder Strahlung in Rechnung gestellt werden und dient „nur“ gedanklich als Vergleichsmodell, denn technisch realisieren lässt sich ein solcher Carnot-Prozess (so benannt nach dem französischen Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot) nicht. Für praktische Prozesse, wie sie beispielsweise in Dampf- und Gasturbinenkraftwerken ablaufen, haben Energietechniker andere Modelle entwickelt (siehe Kapitel Dampfkraftwerke und Gasturbinenkraftwerke).

Der Kreisprozess nach Carnot gliedert sich in folgende Prozessschritte:

  • 1 → 2: Isentrope Druckerhöhung (Zufuhr von Arbeit ohne Verluste)
  • 2 → 3: Isotherme Wärmezufuhr (verlustfrei, bei konstanter Temperatur)
  • 3 → 4: Isentroper Druckabbau (Abfuhr von Arbeit ohne Verluste)
  • 4 → 1: Isotherme Wärmeabfuhr (verlustfrei, bei konstanter Temperatur).

Für geschlossene Kreisprozesse ist die Summe aus zu- und abgeführter Wärmemengen (q2,3 plus q4,1) und technischer Arbeiten (w1,2 plus w3,4) gleich Null.

Der thermische Wirkungsgrad eines Kreisprozesses gibt an, welche Menge der aufgenommenen Wärme sich in nutzbare Arbeit umwandeln lässt. Im carnotschen Kreisprozess erreicht er seinen theoretischen Maximalwert. Er ergibt sich aus: ηc = 1 − T2/T1, wobei T2 die höhere Temperatur ist, auf die das Gas erhitzt wird, und T1 die niedrigere, auf die das Gas am Ende des Kreisprozesses abgekühlt wird. Das bedeutet, dass der Wirkungsgrad ηc mit der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kälteren Wärmereservoir steigt, aber niemals den Wert von 100 % erreichen kann. Diese Feststellung entspricht der Auswirkung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt, dass in einem Kreisprozess die Wärme nicht vollständig als Arbeit nutzbar ist, sondern dass immer ein Teil ungenutzt verloren geht – und zwar auch dann, wenn es keine Verluste durch Reibung oder Strahlung gibt. Der Wert des Carnot-Wirkungsgrads zeigt sich, wenn man ihn als Referenzfall beim Vergleich mit Wirkungsgraden realer Kreisprozesse heranzieht, um so Aussagen zu deren Qualität zu gewinnen.

Moderne Dampfkraftwerke arbeiten mit thermischen Wirkungsgraden von etwa 45 %. Der Carnot-Wirkungsgrad erreicht einen bedeutend höheren Wert, allerdings nur deshalb, weil er keine Verluste berücksichtigt. Bei denselben Temperaturwerten – Speisewasser 25 °C (298,15 K), Dampftemperatur beim Eintritt in die Turbine 550 °C (823,15 K) – ergibt sich nach der oben genannten Gleichung ein ηc von 64 %. Wenn es gelänge, hochtemperaturfeste Werkstoffe für den Einsatz bei 700 °C (973,15 K) zu entwickeln und zu verwenden, stiege der Wirkungsgrad auf 69 %.

Doch in allen aktuellen Neubauprojekten in Deutschland sind immer noch 600 °C die Obergrenze. Um hoch überkritische Dampfzustände von 700 °C und Drücke von 300 bar beherrschen zu können, sind Legierungen auf Nickelbasis notwendig. Entsprechende Entwicklungsprogramme sind im Gange und werden von der EU unterstützt. So weit zu überblicken, gibt es allerdings weder in Deutschland oder Europa noch weltweit ein 700-Grad-Kraftwerk, das über einen kurzzeitigen Probetrieb hinausgekommen ist.

Dampfkraftwerke

Dampfkraftwerke zählen zu den am häufigsten eingesetzten Kraftwerken für die Erzeugung von elektrischem Strom. Die wichtigsten Bauteile sind die Dampferzeugsanlage, die Hochdruck-Dampfturbine mit Elektrogenerator und die Kondensatoranlage mit Kühlwasserpumpe. Ihr Aufbau und ihre Funktion sind Gegenstand der folgenden Ausführungen. Beginnen soll dieses Kapitel jedoch mit der Beschreibung des Dampfkraftwerksprozesses und Erläuterungen zum thermischen Wirkungsgrad.

Clausius-Rankine-
Vergleichsprozess

Anders als der Carnot-Prozess ist der Clausius-Rankine-Vergleichsprozess, benannt nach dem deutschen Physiker Rudolf Julius Emanuel Clausius und dem schottischen Ingenieur William John Macquorn Rankine, ein thermodynamischer Kreisprozess, der auf einstufige Dampfkraftwerke ausgelegt ist. Er zeigt das Optimum an, das im Idealfall, also bei reibungslosen Zustandsänderungen, erreichbar ist. Ziel ist, Wärme in Arbeit zu konvertieren. Anhand Bild 2 ist die Zirkulation des Mediums (Wasser) und damit der einfache Dampfkraftwerks-Prozess leicht zu verfolgen. Er beginnt in Punkt 1 mit Hochdruckdampf.

  • 1 → 2: Isentroper, also nicht verlustbehafteter Druckabbau in der Dampfturbine mit Elektrogenerator: Abfuhr von Arbeit
  • 2 → 3: Isobare Wärmeabfuhr und vollständige Verflüssigung im Kondensator
  • 3 → 4: Isentrope Druckerhöhung durch Speisewasserpumpe: Zufuhr von Arbeit)
  • 4 → 1: Isobare Verdampfung in Dampfkessel durch Zufuhr von Wärme.

Die überschüssige Wärme in Höhe der positiven Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Wärme lässt sich in Arbeit umwandeln; daraus resultiert, dass mehr Arbeit genutzt werden kann als zugeführt wird.

Autor: W. Wilming

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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