Wärmekraftwerk: so arbeiten Kessel, Turbine und Generator

Ein Wärmekraftwerk erzeugt Strom in drei Schritten: Es setzt Wärme aus einem Brennstoff frei, treibt mit dieser Wärme eine Turbine an und lässt die Turbine einen Generator drehen. Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Öl, Biomasse, Abfall und Kernbrennstoff arbeiten alle nach diesem Prinzip; nur die Wärmequelle ist eine andere.

Der Wasser-Dampf-Kreislauf

Die meisten Wärmekraftwerke nutzen einen Dampfkreislauf, in der Thermodynamik Clausius-Rankine-Prozess genannt. Vereinfacht läuft er so ab:

1. Kessel oder Dampferzeuger. Der Brennstoff wird verbrannt, im Kernkraftwerk liefert die Kernspaltung die Wärme. In einem Geflecht aus Rohren verdampft Wasser bei hohem Druck und hoher Temperatur.
2. Dampfturbine. Der Dampf strömt durch die Schaufelreihen der Turbine, entspannt sich und versetzt die Welle in Drehung. Große Turbinen haben Hoch-, Mittel- und Niederdruckteile.
3. Generator. Auf derselben Welle wandelt ein Generator die Drehbewegung in Wechselstrom um, im europäischen Verbundnetz synchron zur Netzfrequenz von 50 Hertz.
4. Kondensator. Hinter der Turbine wird der Dampf abgekühlt und wieder zu Wasser. Die Wärme geht an einen Kühlturm, einen Fluss oder das Meer.
5. Speisewasserpumpe. Sie drückt das Wasser zurück in den Kessel, und der Kreislauf beginnt von vorn.

Ein Maschinentransformator hebt die Spannung auf Übertragungsnetzniveau. Über Umspannwerke gelangt der Strom schließlich mit 230 Volt an die Steckdose.

Warum der Wirkungsgrad so wichtig ist

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Brennstoffenergie als Strom herauskommt. Die Physik setzt eine Grenze: Eine Wärmekraftmaschine kann nur einen Teil ihrer Wärme in Arbeit umwandeln, der Rest muss bei niedrigerer Temperatur abgegeben werden. Beim Dampfkraftwerk ist das die Wärme im Kondensator.

Ingenieure steigern den Wirkungsgrad vor allem über höhere Dampftemperaturen und -drücke. Moderne Kohlekraftwerke arbeiten „überkritisch“, oberhalb des kritischen Punkts von Wasser, an dem es nicht mehr im üblichen Sinn siedet. Ältere Anlagen mit niedrigeren Dampfparametern verschenken einen größeren Teil ihres Brennstoffs. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet zugleich weniger Brennstoff und weniger Emissionen je Kilowattstunde. Einordnende Daten zu Wirkungsgraden des deutschen Kraftwerksparks veröffentlicht das Umweltbundesamt.

Gasturbine und GuD-Kraftwerk

Eine Gasturbine arbeitet anders als eine Dampfturbine. Ein Verdichter presst Luft zusammen, darin verbrennt der Brennstoff, und das heiße, expandierende Gas treibt die Turbinenschaufeln direkt an. Gasturbinen starten schnell und eignen sich deshalb, um Lastspitzen abzudecken.

Ihr Abgas ist noch sehr heiß. Ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (GuD) nutzt diese Wärme in einem Abhitzekessel, der Dampf für eine zweite Turbine erzeugt. Zwei Kreisprozesse teilen sich einen Brennstoffeinsatz; GuD-Anlagen erreichen damit die höchsten Wirkungsgrade unter den fossilen Kraftwerken. Das ist ein Grund, warum Gaskraftwerke in vielen europäischen Ländern ältere Kohlekraftwerke ersetzt haben.

Kraft-Wärme-Kopplung

Selbst das beste reine Stromkraftwerk gibt einen großen Teil seiner Wärme ungenutzt ab. Bei der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird diese Wärme gebraucht: für Fernwärme, für Prozesswärme in der Industrie oder für Gewächshäuser. Die Anlage liefert etwas weniger Strom als ein reines Kraftwerk gleicher Größe, nutzt aber einen viel größeren Teil der Brennstoffenergie insgesamt.

KWK gibt es in jeder Größe, vom Heizkraftwerk, das ganze Stadtteile in Wien, München oder Berlin mit Fernwärme versorgt, bis zum Blockheizkraftwerk im Keller eines Mehrfamilienhauses. In Deutschland fördert das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz solche Anlagen.

Biomasse, Abfall und Kernkraft

Biomasse- und Müllheizkraftwerke nutzen denselben Dampfkreislauf wie Kohlekraftwerke. Ihre Brennstoffe sind uneinheitlicher und oft feuchter, was die Kesselkonstruktion beeinflusst und eine sorgfältige Abgasreinigung verlangt. Mehr dazu unter Rauchgasreinigung einfach erklärt.

Kernkraftwerke gewinnen Wärme aus der Spaltung von Uran im Reaktor. In Druckwasserreaktoren gibt das Wasser im Reaktorkreislauf seine Wärme über einen Dampferzeuger an einen getrennten Dampfkreislauf ab. Ab der Turbine gleicht die Technik einem konventionellen Kraftwerk, samt großer Kühltürme. Deutschland hat seine letzten Kernkraftwerke im April 2023 abgeschaltet, in der Schweiz und vielen Nachbarländern laufen sie weiter.

Die Rolle der Wärmekraftwerke im Wandel

Über Jahrzehnte lieferten Wärmekraftwerke den Großteil des europäischen Stroms. Heute erzeugen Wind und Sonne einen wachsenden Anteil, und die Aufgabe der Wärmekraftwerke verschiebt sich vom Dauerbetrieb zum Ausgleich: Sie laufen, wenn der Wind schwach ist und die Sonne nicht scheint, und halten sich zurück, wenn erneuerbarer Strom reichlich vorhanden ist. Wie sich die Anteile verschoben haben, zeigt der Strommix in Europa.

Flexibilität kommt inzwischen auch aus Batteriespeichern, steuerbaren Verbrauchern und vielen kleinen Anlagen, die gemeinsam reagieren. Wie das funktioniert, erklären wir unter virtuelle Kraftwerke.

Vom Turbinenhaus zum Balkon

Ein Balkonkraftwerk hat mit einer Dampfturbine nur das Netz gemeinsam, in das beide einspeisen. Ein Solarmodul wandelt Licht ohne bewegliche Teile in Gleichstrom um, ein kleiner Wechselrichter macht daraus Wechselstrom mit 50 Hertz. Wie das im Detail funktioniert, steht unter So funktioniert ein Balkonkraftwerk.

Einen Überblick über das System hinter der Steckdose gibt der Bereich Strom und Netz.