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Wärmekraftmaschinen


James Watt
(1736−1819)

James Watt baute 1782 die erste zweiseitig betriebene Niederdruckdampfmaschine mit Drehbewegung.

Animationen dieser Dampfmaschine bieten einige Internetseiten wie die von howstuffworks und Wikipedia.

Das rechts oben gezeigte Bild erläutert die Wirkungsweise. Der Ventilschieber oben und der darunter liegende Kolben (Piston) sind über Pleuelstangen mit der Kurbelwelle verbunden. Die beiden oszillierenden zylindrischen Teile schließen mit dem umgebenden Zylinder eng ab. Das Verhältnis von mechanischer Nutzleistung zur Heizleistung wird als Wirkungsgrad bezeichnet. Er beträgt bei dieser Niederdruckdampfmaschine nur 3 %.

Ein ungünstigeres Leistungsgewicht, aber die Möglichkeit einer vielseitigen Wärmezufuhr wie durch Sonnenlicht oder durch kontinuierliche Verbrennung von Brennstoffen bei hohem Luftüberschuss eröffnet der Stirlingmotor (Heißgasmotor). Er arbeitet ohne Ventile mit einer konstanten Gasmenge (Helium). Auf einer Zylinderseite wird das Gas erwärmt, an der anderen gekühlt. Dazwischen bewegt sich beim "displacer-type" (Stirling-beta) ein voluminöser (den Zylinder nicht dicht abschließender) Kolben als Wärmespeicher (Regenerator), der dem hoch strömenden Gas Wärme entzieht und an das rückströmende Gas wieder abgibt. Ein zweiter Arbeitskolben schließt dicht ab.

Robert Stirling, Bild rechts, patentierte 1816 und baute 1818 den ersten Heißgasmotor. Ende des 19. Jahrhunderts hatte der Stirlingmotor breite Anwendungen bei kleineren Maschinen gefunden. Auch zum Beginn des 21. Jahrhunderts ist er nicht in Vergessenheit geraten. Das Bild links ist einer Animation von K. Hirata entnommen. Robert Sier bietet weitere Animationen auf seinen Stirling-Internetseiten.

Robert Stirling
(1790−1878)

Der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses    η = (ThTc) / Th   stellt eine obere Grenze für den Wirkungsgrad aller Dampfmaschinen dar. Deshalb ist eine möglichst hohe Temperatur des heißen Dampfes anzustreben.

Die Kühltemperatur von etwa 300 K kann kaum verändert werden. Die Watt'sche Niederdruckdampfmaschine arbeitete mit einer Temperatur unterhalb 400 K und einem nur geringen Überdruck von etwa 0,3 bar. Der geringe Wirkungsgrad von
3 % ist einerseits darauf zurückzuführen, dass der Zyklus nicht dem Carnot-Prozess entspricht und deshalb einen geringeren Wirkungsgrad hat. Vor allem verringern aber auch Reibungsverluste der Maschine den Anteil mechanisch nutzbarer Energie.

Spätere Hochdruckdampfmaschinen für Eisenbahnen verwendeten Temperaturen bis 350 °C und entsprechend höhere Drücke. Das hat sehr selten zur Explosion des Dampfkessels (Kesselzerknall) geführt. Die Lokomotive "Windsbraut" explodierte 1846 in Leipzig, und 2001 explodierte ein Lokomobile in Medina (Ohio).

Die historischen Modelle sind für moderne Anwendungen in Kraftwerken, die mit fossilen und nachwachsenden Brennstoffen, Kernreaktionen oder Solarthermie betrieben werden, durch Gas- und Dampfturbinen ersetzt worden. Die obere Grenze für die Temperatur überschreitet durch Verbesserung der Materialeigenschaften  bald 800 °C.
Damit wird in der  Zukunft ein Anstieg des Wirkungsgrads der Turbinen im Einzelbetrieb von 40 auf 50 % erwartet.

Die unten gezeigten Bilder (SIEMENS-Pressebilder) geben eine Vorstellung von Aufbau und Größe der gegenwärtig eingesetzten Turbinen. Links ist ein Schnitt durch eine 150-MW-Dampfturbine dargestellt. Rechts wird die Montage einer 340-MW-Gasturbine gezeigt. Gasturbinen haben vor den auch in den Dampfturbinen vorhandenen Lauf- und Leitschaufeln einen Verdichter und eine Brennkammer.















 

GuD-Kraftwerke, ausgeschrieben Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke, dienen überwiegend der Stromerzeugung, wobei Gasturbinen- und Dampfturbinenprozess miteinander kombiniert werden. Im GuD-Kraftwerk wird mit ein bis drei Gasturbinen und einer Dampfturbine Elektrizität erzeugt, wobei entweder jede Turbine jeweils einen Generator antreibt (Mehrwellenanlage) oder eine Gasturbine mit der Dampfturbine (abkuppelbar) auf einer gemeinsamen Welle den Generator (Einwellenanlage). Die heißen Abgase der Gasturbinen werden in einem Abhitze-Dampfkessel zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Der Dampf wird anschließend über einen herkömmlichen Dampfturbinenprozess entspannt. Es entfallen ca. 2/3 der elektrischen Leistung auf die Gasturbine und 1/3 auf den Dampfprozess. Aus der Kombination beider Turbinenarten ergeben sich sehr hohe Kraftwerks-Wirkungsgrade bis derzeitig 60 %.

Das Bild links (SIEMENS-Pressebild) zeigt die Dampfturbine des GuD-Kraftwerks Mainz-Wiesbaden. Die Mehrwellen-Anlage besteht aus Gastrubine, Dampfturbine und luftgekühlten Generator, erzeugt eine Leistung von mehr als 400 MW und erlaubt die Auskopplung von Dampf für die Kraft-Wärme-Kopplung, siehe unten.

In der Schweiz und in Österreich wird dieser Kraftwerkstyp als Kombikraftwerk bezeichnet. Im englischen Sprachraum spricht man von "Combined Cycle Power Plant (CCPP)" oder "Combined Cycle Gas Turbine (CCGT)".

GuD-Kraftwerke haben eine bessere Schnellstartfähigkeit aber höhere Stromkosten im Vergleich zu Dampf-Turbinen-Kraftwerken. Deshalb erzeugen sie vorwiegend Mittellaststrom und  Spitzenstrom.


Im Gegensatz zu den ausschließlich für die Stromproduktion eingesetzten Wärmekraftwerken kann bei Anlagen für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK, engl. cogeneration) durch die gleichzeitige Abgabe von Strom und nutzbarer Wärme für Heizzwecke (Fernwärme) oder Produktionsprozesse (Prozesswärme) ein höherer Wirkungsgrad bis 60 % erreicht werden. Der Leistungsbereich reicht von einigen Kilowatt für Haushalte und nähert sich gegenwärtig einem Gigawatt für Großanlagen. Als Blockheizkraftwerk (BHKW) bezeichnet man eine am Ort des Wärmeverbrauchs modular aufgebaute Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme mit einer Leistung zwischen 5 kW und 5 MW.

 

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letzte Änderung: 20.12.2013