Kühlturm
Ein Kühlturm ist ein Bauwerk, in dem das im Kondensator erwärmte Kühlwasser von Dampfkraftwerken und Industrieanlagen mit Umgebungsluft rückgekühlt wird. Man spricht auch von Abfallwärme oder Abwärme, die in erster Linie anfällt, wenn die Erzeugung von elektrischem Strom im Kraftwerk im Vordergrund steht. Die vertikale Anordnung des Kühlturms erlaubt die Nutzung des Kamineffekts, der bewirkt, dass die in dem nach unten und oben offenen Kühlturm stehende Luft erwärmt wird, dadurch aufsteigt und frische Luft nachzieht. Daher ist eine mechanische Förderung des Luftstroms nicht unbedingt erforderlich, wird jedoch nicht selten, insbesondere bei kleinen Anlagen, zur Erhöhung der Effektivität eingesetzt. Der Kühlbedarf eines Großkraftwerks kann bei deutlich mehr als 4 GW liegen.
Man unterscheidet:
- Trockenkühltürme, in denen die Wärme über Wärmetauscher durch Konvektion an die Luft abgegeben wird,
- Nasskühltürme, in denen das zu kühlende Wasser in die Luft versprüht wird. Dadurch wird ihm Verdunstungswärme entzogen und die Luft befeuchtet. Gleichzeitig wird das Wasser durch den feinverteilten Kontakt mit der Luft durch Konvektion gekühlt und die Luft erwärmt. Die Befeuchtung und die Erwärmung der Luft führen 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 weitere Austausch des Kühlwassers durch die Abflut ist notwendig, um zu verhindern, dass sich die Wasser gelösten Salze zu sehr aufkonzentrieren. Diese Bauart wird in erster Linie im Dampfkraftwerk eingesetzt, und
- Hybridkühltürme, sie vereinigen die technisch-physikalischen Vorteile von Trockenkühlturm (Schwadenfreiheit) und Nasskühlturm (hohe Kühlleistung, besserer Wirkungsgrad).
Nasskühltürme haben wegen der Nutzung der Verdunstung eine sehr hohe Leistungsdichte, dafür aber auch einen Wasserverlust, der dem Kreislauf wieder zugeführt werden muss. Sie sind daran zu erkennen, dass sie, vor allem bei kühlerem Wetter, weithin sichtbare "Nebelschwaden" erzeugen.
Die Gründe für den Betrieb eines Kühlturmes liegen zum einen in der Forderung, ein möglichst kaltes Ende des Dampfkreislaufes im Dampfkraftwerk bereit zu stellen und andererseits von einem nahen Fließgewässer unabhängig zu sein.
Wenn das erwärmte Kühlwasser unbehandelt in die Umgebung abgegeben wird, handelt es sich um eine Durchlaufkühlung, die nur noch an Küstengewässern zulässig ist, wo die Erwärmung des Wassers keine Rolle spielt.
Im Binnenland haben sich dagegen zwei Verfahren bewährt, mit denen ein Nasskühlturm betrieben wird:
- Rücklaufkühlung
- Umlaufkühlung
Beim ersten Verfahren wird einem Fließgewässer das notwendige Kühlwasser entnommen, im Wärmetauscher erhitzt und dann im Kühlturm versprüht. Das nicht verdampfte und auf sein Ursprungstemperatur abgekühlte Wasser wird wieder dem Fließgewässer zugeführt, um Salze und Verunreinigungen auszuschwemmen. Letztere würden in ihrer Konzentration ständig zunehmen, wenn das nicht an die Atmosphäre abgegebene Wasser wiederholt im Turm eingesetzt werden würde.
Die Umlaufkühlung verwendet dagegen stets das gleiche Wasser; es werden ausschließlich die Verluste aus Verdampfung und Abflut ergänzt. Dieses Verfahren hat sich bei einem geringen Angebot an Kühlwasser sehr bewährt, jedoch muss durch Zugabe von chemischen Stabilisatoren die Eindickung durch die immer im Wasser vorhandenen Salze verhindert werden. Weiterhin beseitigt die so genannte Abflut diese unerwünschten Salze aus dem Kühlkreislauf.
Bei allen drei Verfahren muss das Wasser in Filteranlagen vorgereinigt werden, damit die immer vorhandenen Grobverschmutzungen nicht den nachgeschalteten Turbinenkondensator verstopfen und damit unwirksam machen. Weiterhin wirken die Kühltürme großer Kraftwerke wie Luftwäscher. Ihre reinigende Wirkung auf die sie durchströmende Luft bleibt für die Umwelt gering, der ausgewaschene Staub konzentriert sich jedoch im Kühlwasser und kann eine erhebliche Verschmutzung der nachgeschalteten Anlagenteile bewirken. Besonders die Kondensatoren der Dampfturbinen sind davon betroffen, die daher mit speziellen Anlagen gereinigt werden müssen.
Die durch einen Kühlturm an die Umgebung abgegebene Abwärme ist verlorene Energie und mindert den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes. Dieser kann durch den Anschluß der Anlage an ein Fernwärmenetz deutlich erhöht werden, allerdings muß hierfür im allgemeinen die Stromproduktion reduziert werden. Zum Betrieb eines Fernwärmenetzes ist wegen der vielen Wärmetauscher und der deretwegen erforderlichen Temperaturgefälle eine Temperatur des Primärkreislauf von 130 bis 150 Grad Celsius notwendig. Da in den mehrstufigen Turbinen der Wasserdampf in der Regel bis kurz vor dem Erreichen seiner Kondensationstemperatur 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 (kleinere) Kühltürme investiert werden muß. Das System Strom- und Wärmeerzeugung kann mit maximaler Effizienz nur dezentral betrieben werden, wenn also nur 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.
Siehe auch: Kühlteich