Aufbau und Funktion eines Kohlekraftwerks - Referat

Gliederung / Inhalt

1. Funktionsweise
2. Aufbau
3. Funktion
4. Entsorgung
5. Energieumwandlung
6. Elemente eines Kohlekraftwerkes
7. Wie funktionieren der Wasser-Dampf-Kreislauf und der Kondensator?
8. Die unterschiedlichen Kühlverfahren
9. Vor- & Nachteile
10. Quellen

1. Funktionsweise

Vom Lagerplatz des Kraftwerkes gelangt die Kohle über in die Kohlemühlen, wo sie zu feinstem Kohlestaub zermahlen wird. Mit Heißluft wird der Staub in die Brennkammer des Dampferzeugers geblasen. Dieser Dampferzeuger hat mit einem üblichen Dampfkessel nicht mehr viel gemein. In einem modernen Kohlekraftwerk ist der Dampferzeuger über 100 m hoch. In einem Rohrsystem von über 200 km Länge wird aus Wasser bei hohem Druck Dampf erzeugt. Der Dampf treibt die Turbine und diese wiederum den angekuppelten Generator an, in dem die elektrische Energie erzeugt wird. Der Dampf wird, nachdem er in der Turbine Arbeit geleistet hat und dabei entspannt worden ist, im Kondensator bei etwa Umgebungstemperatur verflüssigt. Dieses Wasser wird über Vorwärmer und Speisepumpen erneut dem Dampferzeuger zugeführt. Der Kühlwasserkreislauf dient der Abfuhr der Abwärme aus dem Kondensator an die Umgebung des Kraftwerkes. Das dazu erforderliche Kühlwasser wird meist einem Fluss entnommen und nach Aufwärmung um etwa 10 bis 15 K wieder in den Fluss eingeleitet; in diesem Fall spricht man von Frischwasserkühlung. Ist die Wärmeaufnahmekapazität eines Flusses zu gering, so kann die Abwärme mittels eines Kühlturmes auch ganz oder teilweise an die Luft abgegeben werden (Ablauf- bzw. Kreislaufbetrieb des Kühlturmes). Bei der Verbrennung der Kohle fallen außer den hauptsächlichen Verbrennungsprodukten Kohlendioxid und Wasserdampf sowie neben Schlacke und Asche weitere Abfallprodukte an. Zunächst werden die im Rauchgas enthaltenen Stickoxide in einem Katalysator reduziert. Anschließend wird das Rauchgas in einem Elektrofilter weitgehend entstaubt und zusätzlich in einer Entschwefelungsanlage gereinigt. Es wird dann über einen hohen Schornstein in die Atmosphäre abgegeben. Durch diese Maßnahmen wird ein wirksamer Beitrag zur Luftreinhaltung geleistet, so dass ein modernes Kohlekraftwerk keine Umweltschädigung verursacht.

Die aus dem Dampferzeuger und dem Elektrofilter abgezogene Asche sowie der bei der Entschwefelung anfallende Gips können in der Bauindustrie, z.B. als Füllstoff beim Straßenbau und bei der Zementherstellung eingesetzt werden.

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.

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2. Aufbau

Das Kohlekraftwerk im Allgemeinem besteht aus einem Kessel, aus einer Turbine und einem Kondensator, einem Generator, verschiedene Anlagen zur Säuberung des Rauchgases, ein Schornstein, einem Kühlturm, und einzelne andere Behälter, in denen das Wasser aufgewärmt oder abgekühlt, oder weitergepumpt wird.

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3. Funktion

Wie der Name Kohlekraftwerk schon sagt, wird das Kraftwerk mit Kohle (Steinkohle) befeuert. Das wird mit Schiffen oder per Bahn angeliefert. Die Kohle wird dann mit Hilfe von Kohleförderbändern in die Kohlemahlanlagen gefahren, wo sie dann zu Kohlestaub gemahlen werden. Dies gelangt anschließend in den Kessel. Das bei der Verbrennung entstehende Rauchgas wird durch verschiedene Anlagen gesäubert.

Die Entstickung

Zuerst wird das Rauchgas im Katalysator entstickt. Durch Zugabe von Ammoniak als Reduktionsmittel werden nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion die Stickoxide in Stickstoff und Wasser, also in natürliche Bestandteile der Luft zerlegt. Die Stickoxidkonzentration am Kaminaustritt beträgt maximal 200 Milligramm pro Kubikmeter Rauchgas

Die Entstaubung

Danach wird das Rauchgas im Elektrofilter entstaubt. Zur optimale Flugascheabscheidung ist ein Elektrofilter mit einem Abscheidevermögen von 99,7% installiert. Die im Rauchgas enthaltenen Aschepartikel werden dabei von sogenannten Sprühelektroden elektronegativ aufgeladen und vom Gegenpol der Niederschlagselektrode angezogen. Sie bleiben zunächst als Belag haften und werden dann durch periodisches Abklopfen in einen Sammeltrichter geführt.
Im störungsfreien Betrieb und ohne Rußblasen darf der Staubgehalt im Reingas nur 20 Milligramm pro Kubikmeter Rauchgas betragen.

Die Entschwefelung

Durch Rauchgasentschwefelungsanlagen mit Kalkstein als Absorbtionsmittel und Gips als Endprodunkt wird der Schwefeldioxid-Emissionsgrenzwert von maximal 400 Milligramm pro Kubikmeter Rauchgas eingehalten. Es wird über mehrere Sprühebenen verteilt Kalksteinsuspension als Waschflüssigkeit eingedüst. Das Schwefeldioxid geht mit dem Kalkstein der Waschflüssigkeit eine Verbindung zu einer Gipssuspension ein. Diese wird mit Pumpen aus dem Wäschersumpf abgezogen und filtriert. Anschließend wird der Gips wird mit Zentrifugen oder Vakuumbändern bis auf eine Restfeuchte von 10% entwässert.

Der mit hohem Druck und hoher Temperatur aus dem Kessel austretende Dampf strömt in die Turbine, die mit ihrer Turbinenwelle den Generator antreibt. Der erzeugt die elektrische Energie, welche dann über die Transformatoren zu den Umspannwerken geleitet wird. Der Abdampf kondensiert im Hauptkondensator wieder zu Wasser, das wieder zum Kessel zurückgepumpt wird. Das im Hauptkondensator erwärmte Kühlwasser wird in einen Fluss eingeleitet. Ein Teil des Dampfes, der bereits Arbeit für die Stromerzeugung verrichtet hat, wird zur Erwärmung des Heizwassers in zwei Heizkondensatohren geleitet. Das Wasser gelangt über Vorlaufleitungen zu den Gebäuden. Das abgekühlte Wasser strömt über einen gemeinsamen Rücklauf zum Heizkraftwerk zurück.

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4. Entsorgung

Die beim Betrieb des Kraftwerkes anfallende Reststoffe sind hauptsächlich Granulat, Asche, Gips und Abwasser aus der REA. Das Granulat aus dem Kessel als Beton- und Bausteinzuschlagstoff weiterverwendet. Die Asche findet in der Beton- und Zementindustrie Verwendung. Granulat und Asche werden per Lkw abgefahren. Der Gips aus der REA wird in der baustoff- und Zementindustrie weiterverwendet. Der Abtransport kann entweder mit der Bahn oder mit Lkw erfolgen Das Abwasser aus der REA wird vorbehandelt und in die öffentliche Kanalisation eingeleitet.

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5. Energieumwandlung

Wärmeenergie -> kinetische Energie -> elektrische Energie
Der erhitzte Dampf (Wärmeenergie) wird in die Turbinen geleitet. Diese Turbine wird durch den Druck bewegt. (kinetische Energie). Die Turbinenwelle treibt dann den Generator an. (Strom).

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6. Elemente eines Kohlekraftwerkes

Was ist 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 eines Kohlekraftwerkes

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.

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7. Wie funktionieren 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.

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8. Die unterschiedlichen 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.

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9. Vor- & Nachteile

Vorteile:

• durch Wärmekraftkopplung hoher Ausnutzungsgrad des Brennstoffes

Nachteile:

• Brennstoffverbrauch beträgt pro Tag 1350 Tonnen, weil fossiler Brennstoff
• Große Fläche für Lagerplatz von Kohle wird benötigt
• Treten immer noch Schadstoffe aus, CO2, trotz der Reinigungsanlagen

Weiterhin müssen bei der Abwägung der Vor- und Nachteile folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Verfügbarkeit und Preis des Rohstoffs
• Energieausbeute (Wirkungsgrad, Energieerntefaktor)
• Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Kraftwerktyps
• Wie kurzfristig ist das Anfahren möglich und wie hoch ist der maximale Gradient (Änderungsrate) der Leistung
• Umweltschutz (Abfälle, Luftverschmutzung)
• Landschaftsschutz
• Bevölkerungsschutz
• Baukosten
• Bauzeit
• Weitere Nutzungen des Kraftwerks (Prozesswärme, Bewässerung, Hochwasserschutz, Fernwärme)

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10. Quellen

• Wikipedia
• fundus
• Referat von S. Graupe

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