Fossile Energieversorgung

Übergreifend

Fossile Energieversorgung

  • Was ist eigentlich fossile Energie …
  • … und wo kommt sie her?
  • Wie funktioniert ein klassisches Kraftwerk?
  • Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?

In der BRD haben die Kraftwerke mit fossiler Feuerung (Steinkohle, Braunkohle, Öl) einen sehr hohen Anteil an der Erzeugung elektrischer Energie. Im Folgenden ist der Aufbau dreidimensional und schematisch dargestellt.

Hinweis:
Viele Bilder und Informationen sind der Publikation "Energiewelten" von HEA entnommen.

Wenn du mit der Maus über einzelne Komponenten der Schemazeichnung fährst, kannst du an nähere Informationen gelangen.

Energieumwandlungsdiagramm

 

Unter der Adresse http://www.steag.de kannst du eine kleine Animation zum Kohlekraftwerk betrachten.

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen und den Verbrauch an Primärenergie zu senken, werden zunehmend Kombikraftwerke (Gas- und Dampfkraftwerke) eingesetzt.

Beim Gasturbinenkraftwerk treibt ein heißer Gasstrahl die Schaufelräder auf der Turbinenwelle. Erzeugt wird dieser Gasstrahl aus Erdgas oder Öl in einer Brennkammer. Die Temperatur des Gases beträgt vor der Turbine 800°C und mehr, die Austrittstemperatur der Abgase liegt bei 500°C. Der Wirkungsgrad eines reinen Gasturbinenkraftwerks würde ca. 33% bis maximal 42% betragen. Im Unterschied zu Dampfkraftwerken sind Gasturbinenkraftwerke innerhalb weniger Minuten verfügbar. Sie brauchen weder Kühltürme noch aufwändige Anlagen zur Rauchgasreinigung, lassen sich relativ schnell errichten und sind dabei billiger als Dampfkraftwerke vergleichbarer Leistung. Die Stromerzeugungskosten liegen dagegen höher als bei Dampfkraftwerken. Sie werden deshalb meistens nicht als Grundlastkraftwerke betrieben, sondern für die Abdeckung von Bedarfsspitzen eingesetzt.

Der Wirkungsgrad von Gasturbinenkraftwerken erhöht sich beträchtlich, wenn man die heißen Abgase nicht ungenutzt verpuffen lässt, sondern für den Betrieb eines Dampfkraftwerks verwendet. Bei einem solchen Kombi-Kraftwerk erhitzen die Abgase einen Dampfkessel. In der Regel erreicht die nachgeschaltete Dampfturbine nochmals die Hälfte der Leistung der Gasturbine. Der Wirkungsgrad beträgt bei neuen Anlagen 51% bis 58%. Die GuD-Kraftwerke lassen sich wirtschaftlich im Dauerbetrieb einsetzen. Benutzt man den Heißdampf statt für die Dampfturbine als Fernwärme, so werden Wirkungsgrade bis zu 85% erreicht. Die Firma Siemens stellte im Jahre 2010 das GuD-Kraftwerk Irisching (Block 5) an der Donau fertig. Das Kraftwerk hat einen Wirkungsgrad von nahe 60% und eine Leistung von 860MW. Interessenten mögen sich auf Wikipedia näher informieren.

von Dr. Walter Bube

Brennstoffzelle in Mercedes B-Klasse (blau)

Brennstoffzellen wandeln mit hohem Wirkungsgrad die Energie von chemischen Oxidationsreaktionen direkt in elektrische Energie um, als Nebenprodukt entsteht auch Wärme. Es gibt viele Typen von Brennstoffzellen, die sich durch ihren Aufbau und den eingesetzten Energieträger unterscheiden und die für verschiedene Anwendungen und Leistungsbereiche optimiert sind.

Hinweis: Die folgende Tabelle soll nur einen Eindruck von der Vielzahl der verschiedenen Brennstoffzellentypen vermitteln. Man sollte vorallem das Grundprinzip der Arbeitsweise einer Zelle verstehst.

Typ
Anodengas
Kathodengas
Elektrolyt
Arbeitstemperatur
Leistungsbereich
Zellen-Wirkungsgrad
Alkalische
Brennstoffzelle AFC
Wasserstoff
Sauerstoff
Kalilauge
20°C - 90°C
bis - 100 kW
60% - 70%
Membranbrennstoffzelle
PEMFC
Wasserstoff
Luftsauerstoff
Polymer-Membran
20°C - 80°C
bis - 500 kW
50% -70%
Direkt-Methanolbrenn-
stoffzelle DMFC
Methanol
Luftsauerstoff
Polymer-Membran
20°C -130°C
bis - 100 kW
20% - 30%
Phosphorsäure-Brenn-
stoffzelle PAFC
Wasserstoff
Erd- bzw. Biogas
Luftsauerstoff
Phosphorsäure
160°C - 220°C
bis 10 MW
55%
Carbonatschmelzen-Bren-
stoffzelle MCFC
Erd-, Kohle-
Biogas
Luftsauerstoff
Alkalicarbonat-
schmelzen
620°C - 660°C
bis 100 MW
65%
Oxidkeramische Brenn-
stoffzelle SOFC
Erd-, Kohle-
Biogas
Luftsauerstoff
Yttriumstabilisiertes
Zirkonoxid
800°C - 1000°C
bis 100 MW
60% - 65%

 

Wirkungsprinzip der Brennstoffzelle

Hinweis: In der Realität fließt durch die Lampe ein Gleichstrom. Nur zur leichteren Realisierung der Animation wurde mit Ladungspaketen gearbeitet.

Das Prinzip der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie soll an einer PEM (Polymer Elektrolyt Membran) Brennstoffzelle erklärt werden, die mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitet. Im Innern einer PEM-Brennstoffzelle reagiert Wasserstoffgas mit Sauerstoff, als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Dabei wird ein Großteil der Reaktionsenergie direkt in elektrische Energie verwandelt.


Die Brennstoffzelle besteht aus zwei gasdurchlässigen Elektroden, der Anode und der Kathode, die durch eine gasdichte Membran voneinander getrennt sind. Beide Elektroden sind mit einem Platinkatalysator beschichtet, der die Reaktionen an den Elektroden unterstützt:
An der Anode werden vom Wasserstoffmolekül negativ geladene Elektronen abgetrennt. Die dabei zurückbleibenden positiv geladenen Protonen können die Ionen leitende Membran (Elektrolyt) durchqueren und wandern in Richtung Kathode. Die Elektronen gelangen über den äußeren Stromkreis dorthin. An der Kathode nehmen die Sauerstoffmoleküle Elektronen auf und vereinigen sich mit den Protonen zu Wassermolekülen.

Der Betrieb der Brennstoffzelle ist umweltschonend, weil als Endprodukte neben der nutzbaren elektrischen Energie lediglich Wasser und Wärme entstehen. Allerdings ist es für die ökologische Gesamtbilanz entscheidend, wie der Wasserstoff gewonnen und transportiert wird (Energieaufwand, Emission von Schadstoffen). Die Brennstoffzelle kann man als Umkehrprozess zur Elektrolyse sehen, wo Wasser mit Hilfe von elektrischer Energie in die gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.

Chemisch betrachtet, laufen in der Brennstoffzelle folgende Reaktionen ab:
Anode: \(2 \cdot {{\rm{H}}_{\rm{2}}} \to 4 \cdot {{\rm{H}}^ + } + 4 \cdot {e^ - }\)
Kathode: \({{\rm{O}}_{\rm{2}}} + 4 \cdot {{\rm{H}}^ + } + 4 \cdot {e^ - } \to 2 \cdot {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)
Gesamtreaktion: \(2 \cdot {{\rm{H}}_2} + {{\rm{O}}_2} \to 2 \cdot {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)

Wirkungsgrad von Brennstoffzellensystemen

Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle für die Wandlung in elektrische Energie bewegt sich abhängig vom Betriebszustand, von der Bauweise und der Anwendung zwischen 35% und 65%. Weil Brennstoffzellen chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln, ersparen sie den umständlichen und verlustreichen Umweg über Turbine und Generator, der in konventionellen Kraftwerken nötig ist. Dort entweichen bis zu zwei Drittel der eingesetzten Energie als Abwärme über Kühlwasser und Kamin – eine Verschwendung, die aber aus physikalischen Gründen bei thermodynamischen Maschinen (Automotor, Dampfmaschine, Dampfturbine, Gas- und Dampf-Kraftwerk) nicht zu vermeiden ist. Da Brennstoffzellen grundsätzlich anders arbeiten, wandeln sie mehr als die Hälfte der eingesetzten Energie in Elektrizität um. Damit übertrifft ihr Wirkungsgrad den konventioneller Kraftwerke, die Strom über den Umweg mechanischer Arbeit erzeugen. Die Grafik vergleicht typische Wirkungsgrade verschiedener Energiewandlersysteme. Kann auch die anfallende Wärme z.B. für Heizungen genutzt werden, ist der Gesamtwirkungsgrad nochmals erhöht.

Weitere Informationen über Brennstoffzellen auf LEIFIphysik: Treibstoffe für Brennstoffzellen und Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle

Nützliche Links zum Thema:

 

Blockheizkraftwerk (BHKW)

Der Wirkungsgrad von gewöhnlichen fossil befeuerten Kraftwerken liegt im Bereich von ca. 40%. Ein erheblicher Anteil der chemischen Energie des Primärenergieträgers geht an das Kühlwasser. Es liegt nahe, die Abwärme für Heizzwecke zu nutzen. Dazu darf aber das Kraftwerk nicht zu weit vom Verbraucher entfernt sein, da sonst die Verluste in den Zuleitungen zu groß sind.
Der Brennstoffaufwand für die gleichzeitige Erzeugung von innerer Energie zum Heizen und elektrischer Energie ist geringer, als wenn man dieselben Energiemengen getrennt - das heißt in reinen Kraftwerken bzw. Heizwerken - erzeugen würde. Die Kombination von "Strom- und Wärmeproduktion" wird als "Kraft-Wärme-Kopplung" bezeichnet.

Häufig wird die Kraft-Wärme-Kopplung in sogenannten Blockkraftwerken angewandt. Sie dienen der Versorgung kleinerer Einheiten, wie z.B. Krankenhäusern, Schulzentren oder Schwimmbäder.

Das nebenstehende Bild zeigt die Aggregate eines größeren Blockheizkraftwerks, das bei einer elektrischen Leistung von 1,6MW und einer Wärmeleistung von 2,4MW eine Brennstoffausnutzung von 85% erreicht.


Schema - einfach

Schematischer Aufbau (Details):
Ein Diesel- oder Gasmotor betreibt einen Generator und erzeugt elektrische Energie.

Die Abwärme des Motors wird ebenfalls genutzt: In einem Wärmetauscher wird warmes Wasser für den Verbraucher bereitgestellt.

Meist enthält solch eine Anlage noch einen gut isolierten Warmwasserspeicher und u.U. auch noch einen sogenannten Spitzenkessel, mit dem die Warmwasserbereitung bei Verbrauchsspitzen erfolgt (für 1kW BHKW-Leistung sind wesentlich höhere Investitionen im Vergleich zu 1kW Kesselleistung erforderlich).

Die Kraft-Wärme-Kopplung lässt sich auch in größeren Kraftwerken nutzen:
Bei Dampfkraftwerken stünde an sich die Abwärme des Kühlwassers zur freien Verfügung, ohne dass dadurch der elektrische Wirkungsgrad der Anlage beeinträchtigt würde. Die Abwärmetemperatur eines solchen normalen thermischen Kraftwerks liegt bei etwa 50-80°C. Für eine effiziente Wärmenutzung ist jedoch eine höhere Temperatur erforderlich (etwa 100-130°C). Daher geht man bei der Kraft-Wärme-Kopplung einen Kompromiss ein: Die Temperatur hinter der Turbine wird auf die für die Wärmenutzung geforderten 100-130°C eingestellt, damit allerdings der Wirkungsgrad der Stromerzeugung etwas herabgesetzt.
Man schätzt, dass in der BRD allein durch den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung sich soviel Pirmärenergie einsparen ließe, dass der Kohlendioxidausstoß um etwa 9% zurückgeht.

Auf der Seite der Stadtwerke München findest du eine hübsche Animation zur Kraft-Wärme-Kopplung.

Aufbau des Druckwasserreaktors
(Schema 1)

Zwischen einem konventionellen Kohlekraftwerk und einem Kernkraftwerk besteht im konventionellen Teil (Turbine, Kondensator, Generator, Kühlturm) kein wesentlicher Unterschied. Die Erzeugung des Dampfes geschieht jedoch auf sehr unterschiedliche Weise und mit sehr unterschiedlichen Konsequenzen für die Umwelt. Im Folgenden soll die Dampferzeugung am Schema eines Druckwasserreaktors besprochen werden.

Klicke auf die einzelnen Komponenten der Anlage, um zu näheren Erklärungen zu kommen.

Druckversion
RSS - Fossile Energieversorgung abonnieren