Kühlturm
Ein Kühlturm bzw. Rückkühlwerk ist eine Anlage, in der mittels eines Wärmetauschers überschüssige Wärme aus Kraftwerks- oder Industrieprozessen an die Umwelt abgegeben wird.
Er ist normalerweise ein Bestandteil der Anlagen, die für die Bereitstellung des sogenannten Kühlwassers für die Prozesskühlung erforderlich sind. In der Regel befinden sich das Kühlwasser und der Kühlturm in einem eigenen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess.
Funktionsweise eines Kühlturms
Kühltürme sind im Prinzip Hohlzylinder mit offenen Enden, die vertikal und am unteren Rand genügend weit entfernt von der Bodenfläche (genauer: einem Wasserbecken, der Kühlturmtasse) auf Stützen aufgestellt werden. Unmittelbar am unteren Rand über den Stützen befinden sich Verteilerrohre und Düsen zum Versprühen des heißen, zu kühlenden Wassers. Wird das erhitzte Wasser unten in den Kühlturm eingesprüht, so erwärmt sich die Luft, dehnt sich aus, strömt zusammen mit dem Dampf nach oben und zieht dabei vom unteren Rand jeweils frische Kaltluft nach (Kamineffekt). Des Weiteren befinden sich im Inneren Füllkörper zur Verrieselung und Tropfenabscheider, an denen das gekühlte Wasser wieder in die Kühlturmtasse abregnet. Der Rest des Kühlturmes ist leer und dient allein der Verdunstung des Wassers in dem natürlichen Aufwind und seinem Abregnen.
Breite und Höhe sind dabei von der geforderten Kühlleistung abhängig, diese kann bei Großkraftwerken deutlich mehr als 4 GW betragen. Mit dieser Wärmemenge werden im zugehörigen Kühlturm etwa 1500 Kilogramm Wasser in der Sekunde in Wasserdampf umgewandelt. Bei kleinen Anlagen werden zur Erhöhung der Effektivität zusätzlich Lüfter zur erhöhten Förderung des Luftstroms eingesetzt.
Bauformen
Naturzug-Kühlturm
Moderne Naturzug-Kühltürme sind meist als Schalentragwerke aus Beton errichtet und haben im Prinzip die Form von Rotationshyperboloiden. Hierbei ist diese geometrische Form aber nur bis zu etwa einem Viertel der oberen Hälfte des Hyperboloids ausgeführt, der obere Rand hat deshalb einen deutlich kleineren Durchmesser als der untere Rand. Bei dieser Form handelt es sich um eine Regelfläche, die einfach mit gekreuzten geraden Stahlträgern aufgebaut werden kann, wodurch die Baukosten gegenüber anderen Formen gesenkt werden. Die Aussteifung der Schale erfolgt über den oberen und unteren Ring.
Solche Kühltürme werden inzwischen in Höhen bis zu 200 m ab Geländeoberkante errichtet (Kraftwerk Niederaußem) und haben eine Mindestwanddicke von 16 cm nach alter Vorschrift. Aufgrund der Novellierung der Normengeneration DIN 1045 (Tragwerke aus Beton, Stahlbeton usw.) und DIN 1055 (Lastannahmen) im Jahr 2005 werden inzwischen Mindestwandstärken von 18 cm gefordert.[1]
Trotz der teilweise gewaltigen Dimensionen sind Kühltürme aus Stahlbeton die filigransten Betonbauwerke überhaupt. Bei einer Bauhöhe von 200 m hat der Kühlturm in Niederaußem eine Wandstärke von weniger als 30 cm. Vergleicht man die Proportionen, so ist die Wandstärke etwa nur ein Fünftel so dick wie die eines Hühnereies. Aus diesem Grund erhält ein Kühlturm in der Regel einen anspruchsvollen Oberflächenschutz. Dies ist vor allem dann erforderlich, wenn durch Rauchgaseinleitung der Beton chemischen Belastungen ausgesetzt wird. Alternativ werden beim Bau besondere Betonrezepturen verwendet, die dem Kühlturm dauerhaft die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen die chemischen Belastungen geben sollen, so dass kein gesonderter Oberflächenschutz aufgebracht werden muss.
Aber auch bei konventionellen Kühltürmen gibt es erhebliche Belastungen zum Beispiel durch Algenbewuchs. Die biogenen Folgeprodukte von Algen greifen den Beton an. Sterben die Algen ab, so schrumpfen sie und reißen durch ihre intensive Haftung die Betonfläche auf.
Naturzug-Kühlturm mit kombinierter Nutzung als Schornstein (Reingaseinleitung)
Die Aufgabe eines klassischen Kühlturms ist allein die Abgabe von Wärmeenergie. Das ist ein rein physikalischer Prozess. Der Kühlturm übernimmt hierbei nicht die Funktion eines Schornsteins, der bei technischen Verbrennungsprozessen erforderlich ist.
Bei einigen in den letzten Jahren gebauten Kohlekraftwerken, die mit Rauchgasreinigungsanlage ausgerüstet sein müssen, übernimmt der Kühlturm auch die Funktion des Schornsteins. Bei diesem Verfahren wird auf ca. 1/3 der Kühlturmhöhe (über der Verrieselungsebene) das Rauchgas in die Kühlturmmitte geführt und dort in die Dampfschwaden abgegeben.
Der Vorteil dieser in Deutschland erstmals 1982 im Modellkraftwerk Völklingen[2] angewandten Technik (Reingaseinleitung) besteht darin, dass die erwärmte und feuchte Abluft des Kühlturms einen wesentlich stärkeren Auftrieb bietet als das Rauchgas. Hierdurch kann eine Verteilung der Abgasfahne mit geringerer Bauhöhe erreicht werden als bei einem „konventionellen“ Schornstein. Dies ist besonders bei Kohlekraftwerken von Vorteil, weil die Abgase nach der nassen Wäsche in der Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) stark abgekühlt sind und nur noch einen geringen Auftrieb haben.
Die Nachteile dieser Technik liegen unter anderem in der unverhältnismäßig großen Dimension des kombinierten Kühlturms, die realisierte Mindesthöhe liegt bei 100 m (Modellkraftwerk Völklingen, Baujahr 1982), allerdings wurden in den letzten Jahren ausschließlich Türme zwischen 155 m und 200 m Höhe gebaut um eine höhere Kühlleistung zu erreichen. Gerade bei angrenzender Wohnbebauung, wie zum Beispiel in den Städten Datteln und Duisburg-Walsum, wurden die neuen Blöcke mit den kombinierten Kühltürmen zur Rauchgasableitung als neuer Block an bestehende Anlagen gebaut. Teilweise gab es an diesen Altstandorten vorher keinen Kühlturm, da die Wärme anders abgeleitet wurde (zum Beispiel über Gewässer), das Rauchgas wurde über konventionelle Schornsteine abgeleitet. Nun kommt es an diesen Standorten durch den Turm und die im Betrieb entstehenden Dampfschwaden zu unerwünschten Auswirkungen auf das Mikroklima, zum Beispiel lokal erhöhte Niederschlagsmengen und großflächige Verschattungen.
Um diese Nachteile zu vermeiden kam es nach Bürgerprotesten schon zu Planungsänderungen. So wurde beim Kohlekraftwerk Moorburg in Hamburg die ursprüngliche Planung eines Naturzug-Kühlturms mit kombinierter Nutzung als Schornstein geändert. Die realisierte Planung beinhaltet einen niedrigen Hybridkühlturm (Höhe 65 m). Aufgrund der aufwendigen Rauchgasreinigung kann auch auf einen sehr hohen Schornstein verzichtet werden, der neue konventionelle Schornstein hat eine Höhe von 130 m[3].
| Turmhöhe | Kraftwerke mit Kühlturmnutzung als Schornstein | Brennstoff |
|---|---|---|
| 100 m | Kraftwerk Völklingen/Fenne (Blöcke HKV & MKV) | Steinkohle |
| 110 m | Kraftwerk Frimmersdorf (Block Q) | Braunkohle |
| 120 m | Kraftwerk Jänschwalde (Blöcke A–F) | Braunkohle |
| 128 m | Kraftwerk Niederaußem (Blöcke G & H) | Braunkohle |
| 135 m | Kraftwerk Quierschied/Weiher (Block Weiher III) | Steinkohle |
| 141 m | Kraftwerk Schwarze Pumpe (Blöcke A & B) | Braunkohle |
| 141 m | Kraftwerk Staudinger (Block 5) | Steinkohle |
| 141,5 m | Kraftwerk Rostock (Monoblock-Kraftwerk) | Steinkohle |
| 155 m | Kraftwerk Boxberg (Block R) | Braunkohle |
| 160 m | Kraftwerk Lünen (Block Lünen-Stummhafen) | Steinkohle |
| 165 m | Kraftwerk Westfalen (Blöcke D & E)[4] | Steinkohle |
| 172 m | Kraftwerk Neurath (Blöcke F & G) | Braunkohle |
| 174,5 m | Kraftwerk Lippendorf (Blöcke R & S) | Braunkohle |
| 180 m | Kraftwerk Datteln (Block 4) | Steinkohle |
| 181 m | Kraftwerk Duisburg-Walsum (Block 10) | Steinkohle |
| 200 m | Kraftwerk Niederaußem (Block K) | Braunkohle |
Ventilatorkühlturm
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Ventilatorkühlturm Kraftwerk Dresden -
Ventilatorkühlturm Peiner Träger GmbH -
Ventilatorkühlturm Kraftwerk Zolling
Ventilatorkühltürme (Höhe 40–100 Meter) sind nicht so hoch wie Naturzugkühltürme (Höhe bis zu 200 m), da der Luftzug mit Ventilatoren erzeugt wird. Auch Zellenkühler sind Ventilatorkühltürme, allerdings deutlich niedriger und kompakter.
Die ventilatorunterstützten runden Kühltürme (Teilnaturzug) kombinieren die Vorteile von Naturzugkühltürmen (kein Stromverbrauch durch kompletten Naturzug) mit denen von Zellenkühlern (bessere Kühlcharakteristik im Sommer sowie bessere betriebliche Flexibilität) und werden eingesetzt, wenn die Bauhöhe durch Nähe zu Wohnbebauung oder zum Schutz des Landschaftsbilds begrenzt ist.
Ventilatorunterstützte Kühltürme werden sowohl für den Industrie- als auch für den Kraftwerksbereich eingesetzt für Kühlwasserkreisläufe zwischen 25.000 und 200.000 m³/h.
Diese Kühlturmvariante kann auch in Ortschaften gebaut werden, weil im Gegensatz zu den deutlich höheren Naturzugkühltürmen keine optisch bedrängende Wirkung und keine massive Verschattung entsteht.
| Vorteile gegenüber Naturzugkühltürmen | Vorteile gegenüber Zellenkühltürmen | Nachteile gegenüber Naturzugkühltürmen |
|---|---|---|
| kompakte Bauweise mit geringer Höhe ohne optisch bedrängende Wirkung | Stromeinsparung durch Teilnutzung des natürlichen Kamineffektes | Strombedarf |
| geringerer Platzbedarf | bei Stromausfall Teilkühlung durch Naturzug | |
| bessere Kühlcharakteristik im Sommer | keine Rezirkulation von heißer Luft | |
| höhere betriebliche Flexibilität | höhere Dampfschwadenabführung |
Hybridkühlturm
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Hybridkühlturm Kraftwerk Moorburg -
Hybridkühlturm Kraftwerk Moorburg (Schrägluftbild) -
Hybridkühlturm beim Kraftwerk Altbach -
Hybridkühlturm im Landschaftsbild: Kraftwerk Neckarwestheim
Hybridkühltürme (Höhe 42–65 Meter) sind nicht so hoch wie Naturzugkühltürme (Höhe bis zu 200 m), da der Luftzug wie bei Ventilatorkühltürmen mit Ventilatoren erzeugt wird. Zusätzlich wird bei Hybridkühltürmen ein Wärmetauscherpaket eingebaut über das Ventilatorkühltürme nicht verfügen.
Durch das Wärmetauscherpaket kann im Normalbetrieb (Trockenkühlung) die Leistung konvektiv ohne Wasserverbrauch abgeführt werden. Durch diese Betriebsart entstehen keine Dampfschwaden, die zu Beeinträchtigungen (z. B. Verschattung, Verkeimung) in der Umgebung führen können.
Erst bei hoher Außentemperatur wird die Benetzung (Nasskühlung) zugeschaltet, wodurch die Leistung latent durch Verdunsten von Kühlwasser abgegeben wird. Nur bei zugeschalteter Benetzung (Nasskühlung) produziert ein Hybridkühlturm somit sichtbare Dampfschwaden.
| Turmhöhe | Kraftwerke mit Hybridkühlturm | Brennstoff |
|---|---|---|
| 42 m | Kraftwerk Altbach/Deizisau (zwei baugleiche Türme) | Steinkohle |
| 51 m | Kernkraftwerk Neckarwestheim | Uran |
| 65 m | Kraftwerk Moorburg[5] | Steinkohle |
| (k.A.) | Rheinhafen-Dampfkraftwerk Karlsruhe | Steinkohle |
| (in Planung) | Kraftwerk Niederaußem (Planung Neubau Block BoA plus) | Braunkohle |
Kühlarten
Nasskühlung mit Naturzug-Nasskühltürmen ist die am häufigsten vorkommende Kühlart, weil ihr Wirkungsgrad durch die entstehende Verdunstungskälte des Wassers am höchsten ist. Sehr viel seltener ist Hybridkühlung, die erheblich weniger Wasser verdunstet als Nasskühltürme, deren Wirkungsgrad aber deutlich niedriger als Nasskühlung ist. Trockenkühlung nutzt Luft als Kühlmedium und findet nur unter speziellen Umgebungsbedingungen Anwendung — wie niedrige mittlere Temperatur oder Wassermangel. Sie hat den niedrigsten Wirkungsgrad von allen Kühlarten.
Nasskühlung
Naturzug-Nasskühlung
In Naturzugkühltürmen[6] wird das zu kühlende Wasser in die Luft versprüht und über Füllkörper verrieselt. Dadurch wird ihm Verdunstungswärme entzogen und die Luft befeuchtet. Verdunsten von einem Kilogramm Wasser zehn Gramm, so sinkt die Temperatur des Wassers um sechs Kelvin. Zusätzlich wird das Wasser durch den feinverteilten Kontakt mit der Luft durch Konvektion gekühlt und die Luft erwärmt. Die Erwärmung der Luft führt zu einer Abnahme der Dichte und damit einer Zunahme des Auftriebs der Luft. Oberhalb des Kühlturmes wird das Gemisch als Dampfschwaden sichtbar. Etwa 1,5 bis 2,5 % des umlaufenden Kühlwassers verdunsten dabei und müssen ergänzt werden. Ein weiterer Austausch des Kühlwassers durch die Abflut (Abschlämmwasser) ist notwendig, um zu verhindern, dass sich die im Wasser gelösten Salze zu sehr aufkonzentrieren (akkumulieren). Kalk-Ablagerungen stellen hierbei das Hauptproblem dar; beim Betrieb eines Wärmekraftwerkes mit 3 GW thermischer Leistung können pro Tag etwa zehn Tonnen Kalk anfallen, die z.B. durch Lösen mit Ameisensäure aus dem Wasserkreislauf entfernt werden müssen. Diese Bauart wird in erster Linie im Dampfkraftwerk eingesetzt. Den tiefsten Bereich eines Nasskühlturmes, in dem sich das versprühte Kühlwasser sammelt, nennt man Kühlturmtasse.
Naturzug-Nasskühltürme (NNKT) haben wegen der Nutzung der Verdunstung eine sehr hohe Leistungsdichte. Sie verbrauchen Wasser. Der Wasserverbrauch wird durch eine über der Wasserverteilung liegende Lage Tropfenabscheider reduziert. NNKT sind daran zu erkennen, dass sie, vor allem bei kühlerem Wetter, weithin sichtbare „Nebelschwaden“ erzeugen. Ein Nebeneffekt ist das Einbringen von Wasserdampf in die Atmosphäre, was lokal (Mikroklima / Mesoklima) die Bildung von Nebel oder Niederschlag bewirken kann. Deswegen ist im Bereich von Kühltürmen im Winter oft Industrieschnee zu sehen. Ab gewissen Temperaturen im Wasserkreislauf können sich Bakterien (z.B. Legionellen) vermehren. Durch die Verdunstung kann das Kühlwasser theoretisch bis auf die Feuchtkugeltemperatur, die bei trockenem Wetter deutlich unter der Lufttemperatur liegt, abgekühlt werden.
Zwangsbelüftete-Nasskühlung (Ventilatorkühltürme)
Bei zwangsbelüfteter Nasskühlung wird wie bei Naturzug-Nasskühlung das zu kühlende Wasser in die Luft versprüht und über Füllkörper verrieselt. Dadurch wird dem Wasser Verdunstungswärme entzogen und die Luft befeuchtet.
Im Gegensatz zur Naturzug-Nasskühlung wird der zur Kühlung benötigte Luftzug durch Ventilatoren erzeugt, dadurch können die Kühltürme oder Zellenkühler deutlich niedriger und kompakter gebaut werden. Es wird zwischen saugenden Ventilatoren (im oberen Bereich der Ventilatorkühltürme eingebaut) und drückenden Ventilatoren (an den unteren Seitenrändern eingebaut) unterschieden.
Trockenkühlung
Trockenkühltürme finden Verwendung an Kraftwerksstandorten, an denen Wasser für Nasskühlung nicht vorhanden oder dessen Beschaffung zu teuer wäre. Wegen ihrer relativ hohen Kosten fanden sie in der Praxis bis 1985 bei Wärmekraftwerken kaum Anwendung.[7] Es sind Kühltürme, in denen die Wärme über Wärmetauscher durch Konvektion an die Luft abgegeben wird. Zur Unterstützung der Konvektion können bei dieser Bauart große Ventilatoren eingesetzt werden. Die Rohre der Wärmeüberträger erhalten Kühlrippen.
Zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wärme benötigt man einen Wasserdampferzeuger, eine Generatorturbine und einen Kondensator. Der Abdampf der Generatorturbine muss mit Hilfe eines Kondensators rückkondensiert werden, damit das Wasser im Kreislauf geführt werden kann. Man kann bei der Trockenkühlung zwei Verfahren unterscheiden:
Direkte Trockenkühlung
Es gibt nur einen Kreislauf: Der Abdampf der Generatorturbine wird direkt in den Trockenkühlturm geleitet, der selbst als Kondensator dient und in dem das Wasser rückkondensiert.
Beispiel: Zwei Kohlekraftwerke am Standort Wyodak im US-Bundesstaat Wyoming:
Am Standort Wyodak herrschen im Winter extrem niedrige Temperaturen, so dass die Gefahr bestünde, dass Nasskühltürme einfrieren. Eine reine Trockenkühlung findet nur in der kalten Jahreszeit statt. Bei höheren Außentemperaturen wird die Kühlung durch Kühlteiche unterstützt. Bei hohen Außentemperaturen im Sommer wird zusätzlich Wasser in Zellenkühlern verdunstet.
- Kohlekraftwerk Wyodak II bestehend aus zwei Kraftwerksblöcken, Inbetriebnahme: 1979[8]
- Kohlekraftwerk Wygen II, Inbetriebnahme: 2003[9]
Wyodak II: Um den extrem kalten Wetterbedingungen am Standort Wyodak gerecht zu werden, wurde für den Hauptkraftwerksblock ein Trockenkühler bestehend aus 69 Zellenkühlern gebaut. Das System beinhaltet zwei 11 × 3 Anordnungen in V-Form (Schmetterlingsflügel-Design). Kraftwerksblock 2 erhielt drei Prototyp-Zellen (Einreihen-Röhren-Bündel). Die Anlage war bei Inbetriebnahme der größte Trockenkühlturm der Welt und die erste mit Einreihen-Röhren-Bündel. Zur Unterstützung der Kühlleistung im Sommer verfügt die Anlage über zwei Kühlteiche.
Wygen II: 2 × (2 Einreihen-Röhren-Bündel). Zur Unterstützung der Kühlleistung im Sommer verfügt die Anlage über einen Kühlteich. Das Kraftwerk hat einen Wasserverbrauch von 7 % im Vergleich zu konventioneller Nasskühlung pro Jahr.[9]
Indirekte Trockenkühlung
Es gibt zwei Kreisläufe: Der Abdampf der Generatorturbine wird im Heizkreislauf in einem Kondensator rückkondensiert. Die überschüssige Wärme wird im Kondensator an einen zweiten Kreislauf, den Wasserkreislauf, übertragen. Der Trockenkühlturm befindet sich in diesem zweiten Wasserkreislauf zur Kühlung des Kondensators. Es gibt zwei verschiedene Typen von Kondensatoren:
- Typ 1: Einspritzkondensatoren
- Typ 2: Oberflächenkondensatoren
Beispiel für Typ 1: Kraftwerk Ibbenbüren Block A, das von 1967 bis 1987 betrieben wurde.[10]
Die Auslegungs-Lufteintrittstemperatur beträgt 1,5 °C, weil die Turbinen für Nasskühlverfahren ausgelegt waren.
Beispiel für Typ 2: Kernkraftwerk THTR-300, das von 1983 bis 1989 betrieben wurde.[11]
Die Auslegungs-Lufteintrittstemperatur beträgt 12 °C. Die Auslegung des Turms wurde überdimensioniert, um das gleiche Kondensationsniveau zu erreichen wie bei Nasskühlung.
Hybridkühlung (kombinierte Nass- und Trockenkühlung)
Hybridkühlung[12] vereinigt die technisch-physikalischen Vorteile von Trockenkühlung und Nasskühlung (hohe Kühlleistung, besserer Wirkungsgrad) bei deutlich verringertem Wasserverbrauch. Da auch bei Hybridkühlung Wasser verdunstet, muss man sie eher der Nasskühlung als der Trockenkühlung zuordnen. Sie wird manchmal fälschlicherweise der Trockenkühlung zugeordnet.[13] Wegen ihrer besonderen Art als Mix aus Trocken- und Nasskühlung sollte man sie als gesonderte Klasse führen. Gegenüber Nasskühlung besitzt sie aber wegen des Leistungsbedarfes für die notwendigen Ventilatoren einen schlechteren Wirkungsgrad. Zudem liegen die Investitionen für Hybridkühlung gleicher Leistung wie Nasskühlung sehr viel höher.
Hybridkühlung wird daher häufig in Anlagen oder Kraftwerken gebaut, wo es zu eventuellen Beschwerden der Anwohner, mangelnder Akzeptanz oder Planungs-, Verkehrs- und Genehmigungsproblemen wegen Schwaden und Industrieschnee kommen könnte.
Hybridkühlturm
Hybridkühlanlagen[13] können in Turmbauweise errichtet sein. Entweder hat ein solcher Hybridkühlturm im unteren Bereich Ventilatoren und drückt die Umgebungsluft in den Kühlwasserschleier im Inneren oder der Kühlturm hat den Ventilator im oberen Bereich angeordnet und saugt die Luft durch den sog. Lufteintritt im unteren Bereich des Kühlturms an.
Beim Hybridkühlturm wird den Schwaden vor dem Verlassen des Kühlturms ein warmer, in Wärmetauschern und durch Ventilatoren erzeugter Luftstrom beigemischt. Dadurch bleibt die Luft untersättigt und ist beim Verlassen des Kühlturms nicht sichtbar, es entstehen somit kaum sichtbare Dampfschwaden. Hybridkühltürme werden aus Beton, Holz, GFK oder Stahl gebaut.
Zellenkühler (Hybridausführung mit Nass- und Trockenebene)
Ein Zellenkühler ist ein sehr kompakter Ventilatorkühlturm aus Holz, GFK, Stahl oder Beton, in dem das durch Prozesse erwärmte Kühlwasser rückgekühlt wird. Ein Zellenkühler ist somit ein zwangsbelüfteter (durch Ventilatoren entweder Luft saugender oder von den Unterseiten Luft drückender) Kühlturm, in dem das zu kühlende Wasser durch an den Wasserverteilerrohren angeschlossenen Sprühköpfe über Rieselkörper verteilt wird.
Bei saugender Bauweise befindet sich auf der Oberseite des Zellenkühlers ein Diffusor mit einem Ventilator, der durch einen Elektromotor und ein Getriebe angetrieben wird. Bei drückender Bauweise sind die Ventilatoren im unteren Drittel an den Seiten des Bauwerks angeordnet.
Diese Ventilatoren erzeugt im Zellenkühler einen Luftstrom. Kühle Luft tritt durch den Lufteintritt im unteren Bereich des Zellenkühlers ein und wird durch die Rieselkörper nach oben gesogen oder gedrückt, wo die erwärmte, gesättigte Luft dann durch den Diffusor an der Oberseite wieder heraus gedrückt oder gesaugt wird. Eine Lage Tropfenabscheider (Demister) unmittelbar über der Wasserverteilung verringert die Wasserverluste. Somit werden große Wassertropfen nicht nach außen getragen.
Zellenkühler können als Nasskühler oder als Hybridkühler gebaut werden. Bei der Ausführung als Hybridkühler muss eine zweite Ebene mit Ventilatoren vorhanden sein, die den Dampfschwaden vor dem Verlassen der Anlage einen warmen, in Wärmetauschern erzeugten Luftstrom beimischt. Dadurch bleibt die Luft untersättigt und ist beim Verlassen des Kühlturms nicht sichtbar, es entstehen keine oder kaum sichtbare Dampfschwaden.
Ein Zellenkühler kann zur Verringerung von Geräuschemissionen mit Schallschutzelementen im Lufteintritt und Luftaustritt ausgestattet werden. Mehrere Zellenkühler werden in der Regel zur Erhöhung der Kühlleistung parallel geschaltet, so dass sich als Bauform ein rechteckiges Gesamtbauwerk ergibt.
Beispiel: Das momentan größte Solarthermiekraftwerk der Welt Andasol 1–3. Jeder Kraftwerksblock hat ein Nennleistung von 50 MW und einen Wasserverbrauch von 870.000 m³ pro Jahr.
Trockenkühlturm in Kombination mit einem Kühlteich
An besonders heißen Orten kann man auch Trockenkühltürme in Kombination mit Kühlteichen verwenden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass das Wasser im Kühlkreislauf im geschlossenen Kreis geführt werden kann. Die Wärme des Kühlkreislaufs wird an einen Kühlteich abgegeben, dessen Verdunstungskälte den Kühlkreislauf rückkühlt. Da der Kühleffekt über die Verdunstung von Wasser des Kühlteichs erfolgt, ist auch dieses Verfahren der Hybridkühlung und nicht der Trockenkühlung zu zurechnen.
Beispiel: Das Gaskraftwerk El dorado energy 27 km südwestlich von Boulder City, Nevada, 40 km südwestlich vom Lake Mead (Hoover-Staudamm), 64 km südöstlich von Las Vegas. Dieses Gaskraftwerk wird als Mittel- und Spitzenlastkraftwerk genutzt. Eine der Hauptaufgaben ist, die Strombedarfsspitzen von Las Vegas auszugleichen, die durch das Hoover-Damm-Kraftwerk[14] nicht abgedeckt werden können.
| Geographische Daten | |
|---|---|
| Standort | Boulder City, Nevada |
| Koordinaten | 35° 47′ 18,1″ N, 114° 59′ 37,9″ W |
| Höhe über NN | 765 m |
| Kraftwerk | |
| Kraftwerksname | El Dorado Energy[15] |
| Inbetriebnahme | 2000 |
| Elektrische Leistung | 480 MW |
| Kühlturm | |
| Bauart | Zellenkühler-Trockenkühlturm in Kombination mit Kühlteichen[16] |
| Kühlturmhersteller | GEA Power Cooling, Inc.[17] |
| Kühlteiche | 3 |
| Kühlteichfläche | 3 × (200 m × 150 m) = 90.000 m² |
| Wasserverbrauch pro Jahr | ? |
Kühlwasserverbrauch
| Kraftwerk | Typ | Wassermenge m³/Jahr |
Strommenge MWh/Jahr |
Wasserverbrauch m³/MWh |
Literaturwert[18] gallons/MWh |
|---|---|---|---|---|---|
| Kernkraftwerke | Kernkraft | 1,893–4,164 | 500–1100 | ||
| Parabolrinnen-Solarthermie-Kraftwerke | Solarthermie | 2,877–3,483 | 760–920 | ||
| Andasol | Solarthermie | 870.000 | 180.000 | 4,833 | 1277 |
| Nevada Solar One [19] | Solarthermie | 493.393 | 135.050 | 3,653 | 965 |
| Kohlekraftwerke | Kohle | 0,416–1,136 | 110–300 | ||
| Gaskraftwerke (kombinierter Zyklus) | Gas | 0,757 | 200 |
Für die Kühlturmauslegung wichtige Daten
Kühltürme werden in Abhängigkeit vom Kühlverfahren nach verschiedenen DIN- und ISO-Normen ausgelegt. Dabei müssen einige grundlegende Daten des Kraftwerks und des Kühlturms berücksichtigt werden. Hier eine nicht vollständige Auflistung der wichtigsten Parameter:
Kraftwerk:
- Kraftwerksstandort
- Luftdruck (ISO-Norm: Seehöhe)
- Umgebungstemperatur (ISO-Norm: 15 °C)
- relative Luftfeuchtigkeit (ISO-Norm: 60 % relative Luftfeuchtigkeit)
- Kraftwerksleistung
- Wassertemperatur im Heizkreislauf
- Wasserdruck im Heizkreislauf
- Dampfdruck im Heizkreislauf hinter dem Kondensator
Kühlturm:
- Wassereintrittstemperatur im Kühlkreislauf
- Wasseraustrittstemperatur im Kühlkreislauf
- Bauart des Kühlturms
- Lufteintrittstemperatur in den Kühlturm
- Luftaustrittstemperatur aus dem Kühlturm
- Wasserumlaufmenge
- Wasserverbrauch
Alternative technische Nutzungsmöglichkeiten der Abwärme
Bei Kraftwerken für die Stromerzeugung wird von dem Kondensator verfahrensbedingt eine relativ niedrige Temperatur an den Kühlkreislauf des Kühlturmes übertragen. Diese Abwärme geringer Temperatur ist technisch nicht weiter nutzbar, sollte aber zur Erhöhung des Wirkungsgrades des thermischen Kreisprozesses noch weiter gesenkt werden.
Diese Aufgabe kann ein Kühlturm übernehmen, wenn er die vorhandene schädliche Prozesswärme an die Umgebung abführt. Bei einem Bedarf könnte die Kondensationswärme (z.B. in einem Fernwärmenetz) auch bei einer höheren Temperatur abgeführt werden. Dies mindert zwar den elektrischen Wirkungsgrad und damit die elektrisch nutzbare Leistung des Kraftwerkes, da nun ein kleinerer Teil der Wärmeenergie zu Stromerzeugung direkt nutzbar ist. Jedoch wird aber vergleichbar mehr Energie vom eingesetzten Brennstoffes für zwei Prozesse genutzt.
Zum Betrieb eines Fernwärmenetzes ist wegen der vielen Wärmeübertrager und der dort erforderlichen Temperaturgefälle eine Temperatur des Primärkreislaufs von 130–150 °C notwendig.
Da in den mehrstufigen Turbinen der Wasserdampf in der Regel bis an den Beginn der Kondensation expandiert wird, muss der Prozess schon vorher abgebrochen werden, was eine Einbuße von bis zu 25 % der elektrischen Leistung bedeutet. Weiterhin geht die Kühlleistung eines Fernwärmenetzes im Sommer stark zurück, so dass trotzdem in (zum Teil auch kleinere) Kühltürme investiert werden muss.
Das System von gemeinsamer Strom- und Wärmeerzeugung kann mit maximaler Effizienz nur dezentral betrieben werden, wenn geringe Strecken zum Wärmetransport überwunden werden müssen, und die innere Energie des Treibmittels bis zu dessen Kondensation genutzt werden kann. Man spricht dann von Kraft-Wärme-Kopplung oder dezentraler Energieversorgung, die mit zunehmender Verteuerung von Brennstoffen an Bedeutung gewinnt.
Anwendung
Im Wärmekraftwerksprozess
Wärmekraftwerke erzeugen Wärme mit Hilfe verschiedener Verfahren:
- Verbrennung von fossilen Energieträgern wie Kohle, Gas, Öl, Torf
- Wärmeenergie aus nuklearen Spaltprozessen in Kernkraftwerken
- Wärme aus Solar- bzw. Geothermie
Nach den Gesetzen der Thermodynamik kann Wärmeenergie nur dann in eine andere Energieform (wie z.B. elektrischen Strom) umgewandelt werden, wenn nicht nur einfach eine allgemein hohe Temperatur, sondern eine möglichst hohe Temperaturdifferenz vorliegt – außer einer Wärmequelle wird also auch eine ‚Kältequelle‘ (korrekter: eine Wärmesenke) benötigt. Diese Wärmesenke kann unter anderem durch einen Kühlturm bereitgestellt werden.
Zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wärme benötigt man einen Wasserdampferzeuger. Der Wasserdampf treibt eine Kraftwerksturbine, deren Rotationsenergie in einem Generator Strom erzeugt. Der Abdampf der Generatorturbine muss mit Hilfe eines Kondensators rückkondensiert werden - dadurch bildet sich eine Druckdifferenz zwischen heißer und kalter Seite, welche den Dampf in Bewegung setzt und den Antrieb einer Turbine erst ermöglicht. Zur Kondensation des Dampfes werden erhebliche Mengen Kühlwasser benötigt. In einem großen Wärmekraftwerk können pro Stunde bis zu 100.000 Kubikmeter Wasser die Anlagenteile und den Kühlturm passieren.
In einem Kraftwerk befinden sich in der Regel zwei getrennte Wasserkreisläufe.
- Dampfprozess: Das Wasser wird in einem Dampfkessel erhitzt und verdampft. Die Turbine entzieht dem Dampf die Strömungsenergie und stellt sie als mechanische Energie zur Verfügung, welche dann den Generator antreibt. Bei der Entspannung in der Dampfturbine wird der Dampf bereits bis zu 15 % kondensiert (Temperaturen etwa 36 °C). Anschließend wird der restliche Dampf im Kondensator niedergeschlagen. Das flüssig vorliegende Wasser wird durch die Speisepumpen energetisch günstig auf das Druckniveau gebracht.
- Kühlkreislauf: Im zweiten Wasserkreislauf, dem sogenannten Kühlkreislauf, wird die Wärmeenergie vom Kondensator abgeführt und, falls erforderlich, das Wasser in einem Kühlturm abgekühlt.
Die Gründe für den Betrieb eines Kühlturmes liegen zum einen in der Forderung, ein möglichst kaltes Ende des Dampfkreislaufes im Wärmekraftwerk bereitzustellen, und andererseits von einem nahen Fließgewässer oder einen sonstigen Wärmeverbraucher unabhängig zu sein. Ebenfalls notwendig ist ein Kühlturm, wenn das Kühlwasser aus Umweltschutzgründen nur mit begrenzter Temperatur in das Fließgewässer abgegeben werden darf.
Bei allen Wärmekraftwerken steht die Erzeugung von elektrischem Strom im Vordergrund. Die erzeugte Wärme lässt sich aus physikalischen Gründen nur zum Teil in Strom umsetzen. Es bleibt immer ein Rest an Wärme, der in der Regel nicht direkt nutzbar ist. Man spricht dann von Abwärme, die in erster Linie im Kühlturm umgesetzt wird.
Anwendung außerhalb eines Kraftwerks
Kühltürme befinden sich nicht nur in Kraftwerken, sondern werden auch in anderen Anlagen verwendet, zum Beispiel Wasserkühlung in der chemischen Industrie, allgemein Kühlung in der Industrie sowie Kühlung von Einkaufszentren, Sporthallen, etc.
Die Kühltürme bzw. Rückkühlwerke dieser Anlagen sind wegen der meist geringeren Wärmemengen (Abwärme) erheblich kleiner.
Gefahren
Brandgefahren
Sobald ein Naturzug-Kühlturm außer Betrieb ist, kann von ihm wegen der sehr leichten Rieseleinbauten (Polypropylen, Polyvinylchlorid, Asbestzement, Holz) und des Kamineffekts eine erhebliche Brandgefahr ausgehen. Am 12. Mai 2003 brannte bei Abrissvorbereitungen im stillgelegten Kraftwerk Schwandorf ein Naturzugkühlturm ab, nachdem in seinem Inneren ohne Brandschutzmaßnahmen geschweißt wurde.[20] Innerhalb von 45 Minuten brannten 108 Tonnen Einbauteile aus Polypropylen ab, nach weiteren 50 Minuten waren auch 60 Tonnen hölzerne Einbauteile verbrannt. Die frühzeitig gerufene Feuerwehr hatte, nicht zuletzt wegen Einsturzgefahr, keine Chance, das Feuer rechtzeitig zu löschen. Versuche der VGB haben gezeigt, dass der Brand eines Naturzug-Kühlturmes unlöschbar ist und daraus immer ein Totalschaden, auch der baulichen Substanz, entsteht.
Verkeimung
Bei Kühltürmen und Rückkühlwerken, die mit offenen Wasserkreisläufen arbeiten, besteht die Gefahr einer Verkeimung und einer Verbreitung der Keime per Aerosol.[21]. Der Legionellose-Ausbruch in Warstein 2013 wird auf ein solches Rückkühlwerk zurückgeführt.
Kunstobjekt
Teilweise werden Kühltürme auch als Leinwand und Kunstobjekt verwendet. So befindet sich die größte Karte der Welt auf der 26.000 m² großen Außenseite des Kühlturmes des Kraftwerks Meppen-Hüntel (Emsland). Das Konzept stammt von dem Künstler Christoph Rihs.
Ein weiteres Beispiel für die Nutzung eines Kühlturms als Kunstobjekt findet sich in Frankreich. Beim Kernkraftwerk Cruas wurde ein Gemälde auf den Kühlturm gemalt.
Quellen
- ↑ VGB-Richtlinie für den bautechnischen Entwurf, die Berechnung, die Konstruktion und die Ausführung von Kühltürmen, Ausgabe 2005
- ↑ Kraftwerk Völklingen/Fenne auf power-saar.steag-saarenergie.de
- ↑ Kraftwerk Moorburg Technikdetails auf vattenfall.de
- ↑ http://www.atominfo.ru/news3/c0289.htm
- ↑ Moorburg – Die Kraftwerkstechnik. Abgerufen am 11. März 2013. (Flash wird benötigt, um Informationen zum Kühlturm anzuzeigen)
- ↑ Naßkühltürme. VDI-Berichte 298, 1977, VDI-Verlag, Düsseldorf
- ↑ Handbuchreihe Energie, hrsg. von Thomas Bohn: Konzeption und Aufbau von Dampfkraftwerken. Technischer Verlag Resch, TÜV Rheinland, Gräfelfing 1985, ISBN 3-87806-085-8
- ↑ Informationen der GEA über das Kraftwerk Wyodak II
- ↑ a b Introducing Wygen II, auf www.blackhillscorp.com, abgerufen am 30. Dezember 2009 (englisch).
- ↑ O. Scherf: Luftgekühlte Kondensationsanlage für einen 150-MW-Block des Kraftwerks Ibbenbüren. BWK 20 (1968), Nr. 2, S. 56–60
- ↑ Cleve: Auslegungsprobleme und Berechnungsgrundlagen von Trockenkühltürmen. Seminarvortrag, RWTH Aachen, 10. Jan. 1974
- ↑ U. Häuser: Untersuchungen zum Betriebsverhalten von Hybridkühltürmen. Dissertation an der TU Braunschweig, 1981
- ↑ a b Informationen der GEA über das verschiedene Kraftwerke
- ↑ [1]
- ↑ [2]
- ↑ Informationen der GEA über das Kraftwerk in Boulder (Nevada)
- ↑ [3]
- ↑ [4]
- ↑ [5]
- ↑ VGB PowerTech, Fachzeitschrift: VGB Kraftwerkstechnik 06/2006
- ↑ Ludwig Fembacher (LGL Oberschleißheim, Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit): Mikrobiologische Belastung in Verdunstungsrückkühlwerken (VRKW) (abgerufen am 13. September 2013; PDF; 979 kB)
