Die Vorgänge im Überblick:
Im Dampferzeuger wird die, zu Staub, feingemahlene Kohle unter Luftzufuhr verbrannt. Dabei entsteht Wärme.
Die Umwandlung von chemischer Energie in Wärmeenergie findet im Dampferzeuger statt.
Der größte Teil dieser Wärme wird auf das Wasser, das in den Rohrleitungen durch den Dampferzeuger fließt, übertragen.
Das Wasser, das vorher völlig entsaltzt wurde, beginnt unter hohem Druck zu kochen und verdampft im Rohrsystem.
Der Dampf wird in die Turbinen geleitet und versetzt sie in eine Drehbewegung.
In den Turbinen findet die Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegungsenergie statt.
Nachdem der Dampf die Turbinen angetrieben hat, wird er im Kondensator abgekühlt.
Durch den an die Turbine gekoppelten Generator wird die Drehbewegung in elektrische Energie umgewandelt.
Vom Generator wird der elektrische Strom zum Transformator weitergeleitet.
Der Transformator erhöht die Spannung der elektrischen Energie, bevor sie ins Stromnetz eingespeist wird.
Anlieferung der Kohle
Die Kohle wird in 30mm großen Stücken per Schiff oder Bahn angeliefert und in Kohlemühlen zu Kohlestaub zermahlen. Dieser Kohlestaub wird dann unter spezieller Dosierung der Luft in den Feuerungsraum des Dampferzeugers eingeblasen.
Der Dampferzeuger
Den Dampferzeuger kann man sich wie einen großen Heizungskessel vorstellen.
Der Dampferzeuger ist bei großen Kraftwerken ca. 100 Meter hoch und befindet sich im Kesselhaus. Er besteht bei den meisten Kraftwerken aus dem Verbrennungsraum und dem Wärmetauscher. Der Wärmetauscher besteht aus kilometerlangen Rohrleitungen, die von vollentsalztem Wasser durchlaufen werden. Dies ist das gleiche Prinzip, wie bei einem normalen Durchlauferhitzer. In einem großen Wärmetauscher (600 MW) befinden sich ca. 860 Kilometer Rohrleitungen.
Im Dampferzeuger wird die chemisch gebundene Energie (Kohle) durch Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt. Die Kohle wird mit Luft in den Feuerungsraum des Dampferzeugers geblasen und bei mehr als 1000°C verbrannt. Die dabei entstehenden Flammen erhitzen die Rohrleitungen und übertragen die Wärme auf das Wasser. Das Wasser erhitzt sich bis auf 360°C und wird zu Dampf. Dieser Dampf wird bei einem Druck von 260 bar zur Turbine geleitet. Die Siedetemperatur vom Wasser ist vom Umgebungsdruck abhängig, so verdampft Wasser bei einem Druck von 1 bar bei genau 100°C. Das Wasser im Kraftwerk steht unter höherem Druck und verdampft daher erst bei etwa 360°C. Bevor der Dampf in die Turbine geleitet wird, wird der Wasserdampf auf sogar 545°C erhitzt.
Der beim Feuer entstandene Rauch wird weiter zur Rauchgasreinigung geleitet.
Die Turbine
Die Turbinen bestehen aus Lauf- und Leiträdern. Die Laufräder befinden sich auf einer drehbaren Welle. Zwischen zwei Laufrädern befindet sich ein feststehendes Leitrad. Die Leiträder leiten den Dampf unter dem günstigsten Winkel auf die Laufräder. Die Schaufeln der Laufräder sind jeweils etwas gekrümmt, damit der Dampf umgelenkt wird und dabei mit seiner Kraft die Turbine und damit auch die Welle in Bewegung setzt. Manche Turbinen erreichen 3000 Umdrehungen pro Minute. Die äußeren Schaufelräder können die Geschwindigkeit einer Turbine im Düsenflugzeug erreichen. Beim Durchströmen der Turbine wird der Dampf kälter und der Druck nimmt ab, aber sein Volumen nimmt zu. Die Schaufeln der Lauf- und Leiträder werden deshalb zum Ausgang der Turbine hin immer größer.
In einem Turbinengehäuse befinden sich mehrere Turbinenstufen, die hintereinander gekoppelt werden. Es gibt den Hochdruck-, Mitteldruck- und den Niederdruckteil. Nachdem der Dampf aus dem Hochdruckteil kommt, wird er, bevor er zur nächsten Turbinenstufe gelangt, mit Hilfe eines Zwischenerhitzers auf 560°C wieder aufgeheizt. Dazu wird der Dampf noch mal in den Dampferzeuger zurückgeleitet, bevor er den Mittel- und Niederdruckteil der Turbine durchströmt. Der Dampf verläßt die Turbine mit einer Temperatur von 35°C und wird zum Kondensator geleitet. Bei Kraftwerken, die mit einer Kraft-Wärme-Kopplung ausgestattet sind, wird der warme Dampf nicht zur Kühlung geleitet, sondern zu einem Wärmetauscher, der mit dem Dampf, Wasser erhitzt. Dieses Wasser kann für die Fernwärmeversorgung genutzt werden. (Beispiel ist das Kraftwerk Hannover-Stöcken). Mit der Kraft-Wärme-Kopplung haben die Kraftwerke statt einem Wärmeverlust von 63% nur noch einen Wärmeverlust von 12%.
Der Generator
Da die Turbine und der Generator durch eine Welle fest verbunden sind, wird die Drehbewegung der Turbine auf den Generator übertragen. Der Generator besteht aus einem Stator, einem feststehenden Teil und dem Rotor, der beweglich ist. Sobald sich der Rotor innerhalb des Stators dreht, entsteht in den Spulenwicklungen des Stators elektrische Spannung. Die Grundlage für die Stromerzeugung in einem Generator bildet die elektromagnetische Induktion, mit deren Hilfe die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie ermöglicht wird. Zum Beispiel ist ein Fahrraddynamo ein einfacher Generator.
Der Wasser-Dampf-Kreislauf und der Kondensator
Wenn der gebrauchte Dampf aus den Turbinen kommt, hat er nur noch eine Temperatur von 35°C und einen Druck von 0,05 bar. Dennoch besitzt er noch viel Wärmeenergie. Diese wird ihm im Kondensator entzogen. Im Kondensator „kondensiert“ der Dampf wieder zu Wasser und dieses Wasser wird zurück in den Dampferzeuger geleitet. Würde man das verbrauchte Wasser nicht zurück leiten sondern ableiten, würden in großen Kraftwerken stündlich ca. 1900 Tonnen gereinigtes Trinkwasser verbraucht. Außerdem würden riesige Mengen an Dampf in die Umgebung geleitet werden. Der Kondensator enthält, wie der Dampferzeuger, ein umfangreiches Rohrsystem, das aus vielen tausend Messingrohren besteht. Die Rohre sind ca. 2 cm dick.
Durch diese Rohre wird Kühlwasser gepumpt. An den Außenseiten dieser Rohre kondensiert der Dampf und gibt die Wärme an das Kühlwasser ab.
Die Kühlwassermenge in einem großen Kraftwerk ist sehr groß. Pro 100 Megawatt Kraftwerksleistung fließen ca. 3-4 Kubikmeter Wasser je Sekunde durch den Kondensator.
Es gibt drei verschiedene Arten von Kühlverfahren:
Die Durchlaufkühlung:
Bei der Durchlaufkühlung wird ständig Frischwasser aus einem Fluß entnommen, durch den Kondensator geleitet und dann mit einer Erwärmung von 10°C zurückgeleitet. Dieses Verfahren braucht keinen Kühlturm und ist deshalb sehr kostengünstig.
Die Ablaufkühlung:
Die Ablaufkühlung unterscheidet sich zur Durchlaufkühlung in nur einem Prozess. Das Kühlwasser wird, bevor es zurückgeleitet wird, durch einen Kühlturm geleitet. Die Erwärmung des Flußwassers ist durch dieses Verfahren nicht so hoch.
Die Kreislaufkühlung:
Bei der Kreislaufkühlung wird das im Kondensator erwärmte Wasser in einem Kühlturm gekühlt und zurück in den Kondensator geleitet. Die Verdunstungsverluste von ca. 5% werden durch Frischwasser ersetzt.
Auch bei den Kühltürmen gibt es drei verschiedene Funktionsarten. Die gebräuchlichste Kühlturmart ist die Naturzug-Naßkühlturm. Er besteht aus einer Betonschale die in der Mitte enger wird und eine Höhe von 100m erreicht. In ihm wird das Kühlwasser aus dem Kondensator verrieselt und dabei abgekühlt. Wegen seiner Form, Höhe und des wärmebedingten Aufstiegs, stiegt die Luft im Kühlturm alleine von unten nach oben. Das aus dem Kondensator kommende Wasser wird aus einer Höhe von 20 Metern gegen den Aufsteigenden Luftstrom gesprüht. Dabei verdunstet ein kleiner Teil und steigt als Dampf in die Atmosphäre auf. Das Wasser, das zurückbleibt, tropft ins Kühlturmbecken und wird zum Kondensator zurückgeleitet.