Dampfkraftwerke

Die Dampfkraft leitete die industrielle Revolution ein. Doch Dampfmaschinen ursprünglicher Art gibt es heute kaum mehr. Dennoch ist Dampf, besonders zur Elektrizitätserzeugung in Turbinen-Generatoreinheiten, das meist verwendete Antriebsmittel. Moderne Kraftwerke
In einem modernen Wärmekraftwerk wird entweder durch Verbrennen von Kohle oder Öl gewonnene oder aus einem Kernreaktor stammende Wärme dazu genutzt, in einem Kessel zirkulierendes Wasser in Hochdruckdampf umzuwandeln. Durch Rohre wird der Dampf in, Turbinen geleitet, in denen auf einer Welle Laufräder mit propellerartigen Schaufeln montiert sind, die durch den strömenden Dampf mitsamt der Welle in Drehung versetzt werden. Die Turbinenwelle treibt einen elektrischen Generator an, der die ihm zugeführte mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandelt. Die drei Hauptelemente eines Kraftwerks – Kesselanlage, Dampfturbine und Generator – wurden jahrzehntelang weiterentwickelt, sodass sie heute relativ hohe Wirkungsgrade erreichen. Der Gesamtwirkungsgrad bei der Elektrizitätserzeugung, d. h. die nutzbare elektrische Energie im Vergleich zur freigesetzten Wärmeenergie, ist von 5 Prozent im Jahre 1900 auf fast 40 Prozent im Jahre 1975 angestiegen. Ein modernes Kraftwerk benötigt also zur Erzeugung einer bestimmten Elektrizitätsmenge rund achtmal weniger Brennstoff als ein Werk um die Jahrhundertwende. Der Kessel eines großen Kohlenkraftwerks verbraucht heute bis zu 200 Tonnen Kohle pro Stunde. Die Kohle wird mit Eisenbahnwaggons angeliefert und in große Vorratsbehälter gefüllt, die entnommene Kohle wird automatisch gewogen und zu feinstem Staub gemahlen, mit Luft gemischt, durch Brenndüsen in den Kessel eingeblasen und verbrannt. Die Dampf Erzeugung
Der Kessel ist eine hohe, kaminartige Konstruktion, die mit vertikal angeordneten Wasserrohren ausgekleidet ist. Die von der verbrennenden Kohle erzeugte Hitze bringt das zirkulierende Wasser zum Kochen und verwandelt es in Dampf. Dieser sammelt sich in einem Dampfdom, von wo aus er über Rohrschlangen durch den heißesten Teil des Kessels geleitet wird. Dabei wird der Dampf überhitzt, d. h. auf Temperaturen um 600 °C gebracht. Vom Überhitzer strömt der Dampf direkt in die Dampfturbine. Zunächst gelangt er in deren Hochdruckteil und passiert einen Ring mit feststehenden Leitschaufeln. Sie wirken als Düsen und richten den Dampfstrahl auf die mit der Turbinenwelle verbundenen Laufschaufeln. Der Dampf versetzt diese in Drehung, genauso wie die Luftströmung ein Windrad antreibt. Nach Passieren des Hochdruckteils kommt der Dampf in den Kessel zurück, wird noch einmal erhitzt und dann in den Mittel- und den Niederdruckteil der Turbine geleitet, wo er stufenweise seine restliche Energie abgibt und das Drehmoment der Turbinenwelle weiter erhöht. Der fast völlig entspannte Dampf wird im Kondensator, einem großen Kessel mit Kühlschlangen, in denen kaltes Wasser aus einem nahe gelegenen Fluss strömt, wieder zu Wasser kondensiert. Das immer noch warme Kondenswasser wird in den Kessel zurückgepumpt, das ausgeheizte Kühlwasser wird größtenteils in einem Kühlturm durch die Umgebungsluft abgekühlt, bevor es in den Fluss zurückgelangt. Bei der Kondensation des Dampfes entsteht Unterdruck, der die Gesamtenergiemenge und damit die Turbinenleistung erhöht. Die Drehzahl der Turbinenwelle wird so geregelt, dass sie der vorgeschriebenen Frequenz des entstehenden elektrischen Stroms entspricht. In Europa arbeitet man meist mit 3000 Umdrehungen pro Minute, das ergibt im angeschlossenen Generator einen Wechselstrom von 50 Hertz (50 Schwingungen pro Sekunde). In den USA beträgt die Wechselstromfrequenz 60 Hertz. Der elektrische Generator hat zwei Wicklungen: eine im Gehäuse, die – mit Gleichstrom gespeist – das Magnetfeld erzeugt und eine im drehenden Teil, dem Läufer. Durch die Rotation der Läuferwicklung im Magnetfeld wird in ihr eine elektrische Wechselspannung induziert. Moderne Generatoren mit hoher Leistung müssen ständig gekühlt werden. Seit etwa 1950 umgibt man Rotor- und Statorwicklungen mit einer Wasserstoffatmosphäre, die die Wärme abführt. Bei den neuesten Bauarten sind die Wicklungen aus Kupferrohren, in denen flüssiger Wasserstoff mit einer Temperatur von -200 °C zirkuliert. Eine derartige Zwangskühlung verdoppelt die Generatorleistung. Wirkungsgrad und Verbundsysteme
Die Generatoren geben eine Spannung von etwa 25 000 Volt ab, rund hundertmal größer als die Netzspannung. Elektrizität wird aber am wirtschaftlichsten bei noch höheren Spannungen über große Entfernungen geleitet, daher transformiert man sie auf 220 000 bis 400 000 Volt, bevor man sie in das europäische Verbundnetz einspeist. Dieser Verbund vieler Kraftwerke durch Überlandleitungen ermöglicht eine besonders wirtschaftliche Elektrizitätsversorgung. Der Wirkungsgrad eines Generators sinkt nämlich, wenn er nur mit Teillast betrieben wird. Bei geringerem Bedarf schaltet man ihn besser ganz ab und bezieht elektrische Energie von einem anderen Kraftwerk, das auf voller Leistung läuft. Die Elektrizitätsgesellschaften operieren dabei nach einer Art Wirtschaftlichkeitsliste, in der die am günstigsten arbeitenden Kraftwerke obenan stehen. Bei sinkendem Strombedarf werden Kraftwerke mit ungünstigeren Arbeitsbedingungen zuerst abgeschaltet.

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Info 26.09.2017 - 22:02
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