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Wärmekraftmaschinen

James Watt
(1736 − 1819)

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

 

Die Animation des oben gezeigten Bilds 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 hier 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. Das Bild links ist einer Animation von Koichi Hirata entnommen. Robert Sier bietet weitere Animationen auf seinen Stirling-Internetseiten an.

Robert Stirling
(1790 − 1878)

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.

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 Lokomobil in Medina (Ohio).



Die historischen Modelle sind für moderne Anwendungen in Kraftwerken, die mit fossilen oder nachwachsenden Brennstoffen, Kernreaktionen oder Solarthermie betrieben werden, durch Turbinen ersetzt worden, bei denen verbesserte Materialeigenschaften die obere Grenze für die Temperatur auf 585 °C im Jahre 2021 erhöht haben. In Gasturbinen, GT, wird in einer Brennkammer ein Treibstoff verbrannt und eine Heißgasströmung zu erzeugt, die (außer bei Strahltriebwerken) in Rotationsenergie umgewandelt wird. In Dampfturbinen, DT, wird Wärmeenergie von Wasserdampf in Rotationsenergie umgewandelt.

Die beiden rechts gezeigten Bilder (SIEMENS-Pressebilder) geben eine Vorstellung von Aufbau und Größe der gegenwärtig eingesetzten Turbinen. Oben ist ein Schnitt durch eine 150-MW-Dampfturbine dargestellt. Darunter wird die Montage einer 340-MW-Gasturbine gezeigt.

Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke, GuD-KW, dienen überwiegend der Stromerzeugung, wobei Gasturbinen- und Dampfturbinenprozess miteinander kombiniert werden. Mit ein bis drei Gasturbinen und einer Dampfturbine wird 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) antreibt. Die heißen Abgase der Gasturbinen werden in einem Dampfkessel zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Der Dampf wird anschließend über einen 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 derzeit 63 %. GuD-Kraftwerke haben eine bessere Schnellstartfähigkeit aber höhere Betriebskosten im Vergleich zu Dampf-Turbinen-Kraftwerken. Deshalb erzeugen sie vorwiegend Mittellaststrom und Spitzenstrom. In der Schweiz und in Österreich wird dieser Kraftwerkstyp als Kombikraftwerk bezeichnet. Im englischen Sprachraum spricht man von "Combined Cycle Power Plant (CCPP)".

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 Wirkungsgrad über 85 % erreicht werden. Der Leistungsbereich beginnt mit einigen Kilowatt für Haushalte und nähert sich einem Gigawatt für Großanlagen, siehe Wikipedia. Als Blockheizkraftwerk (BHKW) bezeichnet man eine am Ort des Wärmeverbrauchs modular aufgebaute Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme mit einer Leistung im Kilowatt- bis Megawatt-Bereich.