Die meisten Wärmekraftwerke sind Dampfkraftwerke. In Wärmekraftwerken wird durch die Verbrennung eines Energieträgers (z. B. Kohle, Öl oder Gas) Wärme erzeugt. Die erzeugte Wärme wird verwendet, um Wasser zu erhitzen und in Dampf umzuwandeln. Der Dampf treibt eine Dampfturbine an, die ihre mechanische Energie an einen Generator überträgt, in dem Strom erzeugt wird. Nachdem der Dampf seine Energie an die Turbine abgegeben hat, wird der Dampf in einem Kondensator heruntergekühlt und wieder in Wasser umgewandelt. Das Wasser wird anschließend wieder zurück in den Kessel geleitet und erneut erhitzt, um Dampf zu erzeugen.
Temperatur und Druck in Wärmekraftwerken
Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ist umso höher, je höher die Temperatur des Wassers bei der Wärmeaufnahme ist. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es deshalb notwendig, den Dampf auf eine möglichst hohe Temperatur zu bringen, bevor er auf die Turbinen geleitet wird. Dazu muss zunächst das Wasser unter einen möglichst hohen Druck gesetzt werden. Die so genannte „Speisepumpe“ fördert und drückt das vom Kondensator kommende Wasser unter einem Druck von bis zu 300 bar in den Dampferzeuger. Dort wird das Wasser zunächst bis zur Siedetemperatur erwärmt, dann im Verdampfer bei etwa 360 °C verdampft und schließlich im Überhitzer bis auf etwa 550 bis 600 °C erhitzt, bevor es mit einem Druck von bis zu 280 bar zur Turbine geleitet wird. Die erreichbaren Drücke und Temperaturen sind im Wesentlichen durch die verfügbaren Werkstoffe für die Rohrleitungen begrenzt.
Kleine Physikkunde
Volumen, Druck und Temperatur sind voneinander abhängig. Wird eine der drei Größen verändert, verändert sich mindestens eine der anderen beiden Größen auch.
Temperatur ist ein Maß für die Bewegungsenergie der Teilchen einer bestimmten Materie, z. B. eines Gases. Je höher die Temperatur, desto größer ist die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen.
Druck ist definiert als die Kraft, die auf eine Fläche ausgeübt wird. Je größer die auf die Fläche ausgeübte Kraft ist oder je kleiner die Fläche ist, desto höher ist der Druck.
Volumen bezeichnet den Raum, den ein Körper, eine Flüssigkeit oder ein Gas einnimmt.
Arbeitsauftrag
Im Folgenden siehst du vier Beispiele, bei denen der Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Volumen eine Rolle spielt.
- Entscheide für jedes Beispiel, ob sich Druck (p), Temperatur (T) und Volumen (V) vergrößern (+), verkleinern (-) oder gleich bleiben (o). Stelle dein Ergebnis mit Hilfe der Kästchen ein.
- Mit welchem der vier Beispiele lassen sich am ehesten die Vorgänge zur Dampferzeugung in Wärmekraftwerken vergleichen? Tippe an.
Ein schwarzer Ballon aus sehr dünner Plastikfolie wird etwa zur Hälfte mit Luft gefüllt und verschlossen. In der Sonne erhitzt sich der Ballon, dehnt sich auf seine volle Größe aus und steigt in die Luft.
Ein Schnellkochtopf verfügt über einen fest verschließbaren Deckel, sodass der entstehende Dampf nicht entweichen kann. Der Siedepunkt des Wassers steigt dabei, was zur Folge hat, dass das Essen im Topf schneller gart.
In eine Glasflasche wird kochendes Wasser eingefüllt, das nach kurzer Einwirkzeit wieder ausgegossen wird. Über die Öffnung der so erhitzten Flasche wird die Öffnung eines Ballons gezogen. Nach einiger Zeit stülpt sich der Ballon in die Flasche und dehnt sich dort langsam aus.
Die Öffnung einer Fahrradluftpumpe wird während des Pumpens mit dem Daumen fest zugehalten, dabei ist zu spüren, dass sich Luft und Austrittsöffnung stark erhitzen.
- Mit welchem der vier Beispiele lassen sich am ehesten die Vorgänge zur Dampferzeugung in Wärmekraftwerken vergleichen? Tippe an.
