Ein Kraftwerk ist eine industrietechnische Anlage zur Bereitstellung von elektrischer und teilweise zusätzlich thermischer Leistung.
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Wirtschaftliche Bedeutung
Kraftwerke besitzen eine erhebliche technische Komplexität und haben einen entscheidenden Einfluss auf das Funktionieren einer Volkswirtschaft. In ihnen ist ein großer Teil des volkswirtschaftlichen Vermögens eines Staates gebunden, ihnen kommt zudem eine erhebliche Bedeutung im Verbrauch wirtschaftlicher und ökologischer Ressourcen zu. Die Bedeutung der Kraftwerke wird in der Europäischen Union in den nächsten Jahrzehnten zunehmen, seriöse Studien prognostizieren eine Steigerung der Stromerzeugung innerhalb der EU von 2.898 Terawattstunden (TWh) im Jahre 2000 auf 3.988 TWh im Jahre 2020. In analoger Weise werden die weltweiten Zuwächse für den gleichen Zeitraum von 15.400 auf 28.000 TWh angegeben.
Die Investitionen für ein Kraftwerk sind erheblich. Beispielsweise rechnet man für ein modernes Kohlekraftwerk mit etwa 800 € pro installiertem Kilowatt elektrischer Leistung. Für einen Kraftwerksblock mit einer Leistung von 600 Megawatt sind danach Baukosten von 480 Millionen Euro anzusetzen.
In industriepolitischer Sicht kommt Kraftwerken ebenso eine besondere Bedeutung zu, da sich die Produzenten von Kraftwerkskomponenten einem weltweiten Wettbewerb zu stellen haben. Ihr heimischer Markt ist daher sehr klein, die weitaus größten Umsätze erwirtschaften diese Unternehmen auf dem Weltmarkt. Aus diesem Grund ist es notwendig, der einheimischen Industrie im eigenen Land Kraftwerke für die Referenz im internationalen Geschäft errichten zu lassen. Darüber hinaus erteilt der Bau eines Kraftwerkes erhebliche wirtschaftliche Impulse über die Strom-Branche hinaus; dies gilt sowohl für inländische wie auch ausländische Projekte.
Technische Verfahren
Elektrische Leistung kann auf mehrere Arten umgewandelt werden:
- Mechanische Energie in Form von Kinetischer Energie- oder Potentieller Energie wird über eine Turbine in Rotationsenergie und dann durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. (Beispiele: Wasserkraftwerk, Windkraftwerk, Gezeitenkraftwerk, Wellenkraftwerk)
- Thermische Energie wird zuerst durch eine Wärmekraftmaschine in mechanische Energie und anschließend mittels eines Generators in elektrische Energie umgeformt.
- Spezielle Energieformen werden direkt in elektrische Energie (Beispiel Solarzellen, Brennstoffzellen) umgewandelt.
Anlagen, die nur der Bereitstellung von Prozessdampf oder Heizenergie – im allgemeinen Sprachgebrauch auch fälschlicherweise Wärme genannt – dienen, werden Heizwerke genannt. Konventionelle Wärmekraftwerke wandeln die gespeicherte chemische Energie von vorwiegend nicht-erneuerbaren Brennstoffen in Wärme und dann in Elektrizität um, während so genannte regenerative Energie in Wasserkraftwerken, Sonnenkraftwerken, Windkraftwerken oder Biomassekraftwerken verwendet wird. Wird die auf Grund des Wirkungsgrades des Carnot-Prozesses notwendigerweise dabei entstehende Abwärme weiterverwendet (zum Beispiel als Fernwärme oder als Prozesswärme), so spricht man von einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geschieht das nicht, so spricht man von Abfallwärme.
Die Funktion aller modernen Kraftwerke basiert auf dem gleichen Wirkungsprinzip:
- Eine Kraftmaschine liefert durch Umwandlung von Primärenergie eine Nutzenergie. Die Kraftmaschine ist meistens eine Turbine, kann aber auch ein Wasserrad, ein Verbrennungsmotor oder der Rotor einer Windkraftanlage sein.
- An die Kraftmaschine ist über eine Welle eine Arbeitsmaschine gekuppelt. Im Kraftwerk ist das stets ein Generator, der elektrische Leistung als Sekundärenergie liefert.
Zu einem Kraftwerk gehören eine Reihe von Komponenten:
- Der Maschinentransformator formt die im Generator induzierte Spannung in Hochspannung um, da dieselbe Leistung bei höherer Spannung und somit kleinerem Strom verlustärmer im Stromnetz transportiert werden kann als bei niedrigerer Spannung,
- Im Leitstand laufen alle für den Betrieb des Kraftwerkes notwendigen Messwerte zusammen, von dort aus werden die Anlagenteile des Kraftwerkes wie Armaturen, Pumpen und diverse Hilfsantriebe gesteuert und geregelt sowie die Sicherheitseinrichtungen überwacht,
- An allen Teilen des Kraftwerkes sind Komponenten wie Brandschutzeinrichtungen, Sicherungen und Sicherheitsventile untergebracht, die den sicheren Betrieb gewährleisten und bei Störungen eingreifen,
- In Dampfkraftwerken kommen als wichtige Komponenten Dampfkessel, Dampfturbine, Generator, Kondensator, Maschinenhaus, Rauchgasentstickung, Rauchgasentschwefelung, Kühlturm, Schornstein, Speisepumpe und Rohrleitungen hinzu.
- In Wasserkraftwerken bestehen die wichtigsten Komponenten aus Maschinenhaus, Treibgutrechen, Wasserturbine, Generator, Wehr oder Staudamm, bei Speicherkraftwerken kommen noch Rohrleitungen und Wasserschloss hinzu.
Alle diese Komponenten werden mit dem Kraftwerk-Kennzeichensystem erfasst und dokumentiert. Dies erleichtert die eindeutige Zuordnung und Benennung der Bauteile und hat sich international durchgesetzt.
In allen heute im großtechnischen Einsatz befindlichen Kraftwerkstypen in Europa wird die elektrische Energie in Form von Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz bereitgestellt. Allerdings haben in Deutschland, Österreich und der Schweiz manche Kraftwerke noch einen zweiten Generator für Bahnstrom (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz), wobei es auch Kraftwerke gibt, die nur Bahnstrom erzeugen (Bahnkraftwerke). In anderen Gegenden der Welt (überwiegend in Amerika) wird eine Frequenz von 60 Hertz verwendet. Für die Ankopplung von Windparks kann es mitunter sinnvoll sein, zur besseren Ausregelung der Lastspitzen die Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) anzuwenden.
Ein weiteres Kennzeichen der unterschiedlichen Kraftwerke ist ihre Fähigkeit zum Schnellstart und damit zum Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz. Gasturbinenkraftwerke und bestimmte Typen von Wasserkraftwerken können innerhalb weniger Minuten aus dem Stillstand heraus ihre volle Leistung ins Stromnetz abliefern, Dampfkraftwerke benötigen für diesen Vorgang einige Stunden bis hin zu einigen Tagen bei den Kernkraftwerken. Aus diesem Grunde werden die letztgenannten in erster Linie zur Deckung der Grundlast herangezogen, während Gasturbinen- und Wasserkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke) häufig die Spitzenlast im Netz übernehmen.
Standortwahl
Der Standortwahl kommt beim Bau von Kraftwerken eine große Bedeutung zu. Meist werden Kraftwerke in der Nähe von Ballungszentren mit hohem Stromverbrauch gebaut, weil lange Stromleitungen einen hohen Spannungsabfall verursachen und damit Energie verloren geht.
Thermische Kraftwerke werden fast ausnahmslos an großen Gewässern gebaut, um eine leichte Kühlwasserentnahme zu ermöglichen und das erwärmte Wasser wieder in das Gewässer einspeisen zu können. Hierbei ist natürlich darauf zu achten, dass das Kraftwerk im Fall eines Hochwassers nicht überflutet wird. Der Boden sollte nach Möglichkeit eine hohe Standfestigkeit besitzen, ansonsten ist eine Pfahlgründung vorzunehmen. Ein schiffbares Gewässer begünstigt die Anlieferung von Brennstoffen und schweren Anlagenkomponenten. Wegen Belästigungen durch Lärm und Abgase sowie aus Gründen der Leitungsführung sollten größere Kraftwerke nicht in Wohnsiedlungen errichtet werden.
Wasserkraftwerke müssen dort errichtet werden, wo sich Flüsse entweder gut aufstauen lassen oder wo ein großes natürliches Gefälle vorhanden ist. Für letzteres ist das Kraftwerk Walchensee ein gutes Beispiel.
Windkraftwerke können prinzipiell auf jedem freiem Feld aufgestellt werden, da zu ihnen nur selten Materiallieferungen nötig sind, und da sie wegen ihrer geringen Leistung den erzeugten Strom ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen. Allerdings sollte wegen der Geräuschbelästigung ein Abstand von mehreren hundert Metern zu permanent bewohnten Häusern eingehalten werden. Für ein optimales Funktionieren ist ein exponierter Standort sehr sinnvoll. Wichtig ist, dass der Boden am Standort einer Windkraftanlage über eine gute Standfestigkeit verfügt, da Windkraftanlagen schwer sind und bei starken Winden großen Belastungen standhalten müssen.
Nicht unbedingt vonnöten, aber sinnvoll ist ein Anschluss an das Eisenbahnnetz. Das Kraftwerk sollte möglichst an einem Ort errichtet werden, in dessen Nähe schon Leitungen der Spannungsebenen vorbeilaufen, in welche der erzeugte Strom eingespeist werden soll, um Kosten für den Leitungsbau zu sparen. Da thermische Kraftwerke aller Art über teilweise sehr hohe Anlagenkomponenten wie Schornsteine bis 300 Meter Höhe und Kühltürme bis 150 Meter Höhe verfügen, ist ein Standort in der Nähe eines Flughafens meist nicht möglich.
Kulturelle Bedeutung
Manche Kraftwerke aus der Pionierzeit der Elektrifizierung sind heute noch voll betriebene technische Denkmäler. Das Walchenseekraftwerk war früher das Wahrzeichen des Bayernwerks. Manche Kraftwerksbauten wurden unter künstlerischen Gesichtspunkten entworfen oder wurden im Rahmen von Kunstprojekten verziert. Ein prominentes Beispiel dieser Art ist das Kraftwerk Heimbach, das im Jugendstil entworfen wurde.
Bauarten von Kraftwerken
| Kraftwerkstyp | Bruttoleistung in MW | %-Anteil |
|---|---|---|
| Steinkohlekraftwerke | 26.661 | 21,875 % |
| Kernkraftwerke | 21.346 | 17,514 % |
| Gasturbinenkraftwerke | 20.235 | 16,602 % |
| Braunkohlekraftwerke | 19.981 | 16,394 % |
| Windkraftanlagen | 18.428 | 15,120 % |
| Wasserkraftwerke | 8.763 | 7,189 % |
| Sonstige Kraftwerke | 6.464 | 5,303 % |
| Gesamt | 121.878 | (gerundet) 100 % |
Die folgenden Arten von Kraftwerken sind heute im Gebrauch:
- Wasserkraftwerk
- Speicherkraftwerk mit Stauseen
- Laufwasserkraftwerk
- Pumpspeicherkraftwerke
- Kavernenkraftwerk (manchmal in Kombination mit Pumpspeicherkraftwerk)
- Meereskraftwerk
- Windkraftanlage
- Solarkraftwerk
- Photovoltaikanlage, im eigentlichen Wortlaut kein Kraftwerk
- solarthermisches Kraftwerk (Sonnenwärmekraftwerk)
- Druckluftspeicherkraftwerk
- Thermisches Kraftwerk (Wärmekraftwerk)
- Dampfkraftwerk mit fossilen Brennstoffen:
- Dampfkraftwerk mit sonstigen Brennstoffen:
- Geothermiekraftwerk
- Kernkraftwerk mit Kernreaktoren
- Gasturbinenkraftwerk
- GuD-Kraftwerk/Kombi-Kraftwerk, in dem die elektrische Energie sowohl durch Gas- als auch durch Dampfturbosätze erzeugt wird
- Verbrennungsmotoren-Kraftwerk
- Dieselmotor
- Gasmotoren
- Erdgas
- Biogas
- Deponiegas
- Klärgas
- Grubengas
- Raffineriegase
Noch im experimentellen Stadium hinsichtlich der physikalischen Grundlagen sind:
- Kernkraftwerke mit Kernfusionsreaktor
- Kraftwerke mit magnetohydrodynamischen Generator
Vor- und Nachteile
Jeder Kraftwerktyp hat Vor- und Nachteile. Berücksichtigt werden müssen jeweils Fragen wie:
- 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)
Siehe auch
Literatur
- Fachzeitschrift BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft), herausgegeben vom VDI
