Kraftwerkstechnik

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Energie ist für uns ein so vertrautes Wort, daß wir fast nicht mehr daran denken, wie schwierig es ist, die Bedeutung exakt zu definieren. Der Begriff “Energie” wurde Anfang des 19. Jahrhunderts von Physikern eingeführt, um eine Reihe von scheinbar unzusammenhängenden Phänomenen einer gemeinsamen Beschreibung und quantitativen Berechnung zugänglich zu machen. Die Größe “Energie” ist dabei so konzipiert, daß für sie ein Erhaltungssatz gilt: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Das ist auch der Inhalt des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik (dies ist die Lehre von den Energieformen und den Energieumwandlungen), der wie folgt formuliert werden kann¹⁾:

Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.

Karl Strauß

2. Energiequellen

Zusammenfassung

Energie wird in der Weise gewonnen, daß fossile oder mineralische Bodenschätze gefördert und die in ihnen gespeicherte Energie nutzbar gemacht wird, oder auf die Erde einfallende Energieströme verfügbar gemacht werden. Im einzelnen sind dies:

1.

die chemische Energie der fossilen Brennstoffe: Erdgas, Öl und Kohle

 

2.

die nukleare Energie der schweren Atomkerne (Uran und Thorium); sie kann durch Spaltung freigesetzt werden

 

3.

die nukleare Energie der leichten Atomkerne (Wasserstoff, Lithium); sie kann durch Kernverschmelzung nutzbar gemacht werden

 

4.

die Erdwärme; sie kommt überwiegend durch den radioaktiven Zerfall der Spurenelemente Uran und Thorium in der Erdkruste zustande

 

5.

der Energiefluß aus der Sonne auf die Erde in der Form elektromagnetischer Wellen

 

6.

die Gravitation zwischen Sonne, Mond und Erde.

 

Karl Strauß

3. Kreisprozesse zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit

Zusammenfassung

Die Umwandlung von Wärme in Arbeit wird mit Hilfe von Kreisprozessen durchgeführt. Dabei wird einem Arbeitsmittel, etwa einem Dampf oder einem Gas, das sich in einer Maschine befindet, Hochtemperaturwärme zugeführt. Das Arbeitsmittel leistet in der Maschine nutzbare Arbeit und gibt schließlich Niedertemperaturwärme ab. Ein Kreisprozeß ist dadurch gekennzeichnet, daß der Endzustand des Arbeitsmittels nach einer Reihe von Zustandsänderungen wieder mit dem Anfangszustand identisch ist.

Karl Strauß

4. Nutzung fossiler Brennstoffe in Dampfkraftwerken

Zusammenfassung

Etwa ein Drittel des Primärenergieeinsatzes unserer Zivilisation wird in der Form fossiler Brennstoffe in Dampfkraftwerken verbrannt, um den Bedarf an elektrischer Energie zu decken. Den Dampfkraftwerken kommt deshalb eine besondere Bedeutung innerhalb der Energietechnik zu.

Karl Strauß

5. Nutzung fossiler Brennstoffe in Gasturbinen- und Kombikraftwerken

Zusammenfassung

In Abschnitt 3 wurde gezeigt, daß der Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke abhängt. Beim Dampfprozeß ist die Temperatur der Wärmezufuhr durch die verfügbaren Werkstoffe auf ca. 500 bis 600 °C beschränkt; dagegen liegt die Temperatur der Wärmeabfuhr praktisch auf dem Niveau unserer Umgebung. Beim Gasturbinenprozeß hingegen liegt die Eintrittstemperatur in den Prozeß mit derzeit ca. 1100 °C wesentlich höher, dafür beträgt aber auch die Austrittstemperatur ca. 500 °C. Der Nettowirkungsgrad eines solchen Prozesses liegt deshalb nur bei ca. 30%.

Karl Strauß

6. Alternative Prozesse zur Nutzung fossiler Brennstoffe

Zusammenfassung

Die Entwicklung alternativer Prozesse zur Nutzung fossiler Brennstoffe wird mit dem Ziel durchgeführt, den Umwandlungswirkungsgrad in elektrische Energie zu verbessern und die Umwandlung zu vereinfachen. Bei den bisher kommerziell verwirklichten Prozessen führt man die jeweilige Primärenergie zunächst in Wärme über. In einem weiteren Schritt wird dann die Wärme mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses in mechanische Arbeit umgewandelt.

Karl Strauß

7. Nutzung der Kernenergie

Zusammenfassung

Obwohl die Kernenergie erst seit etwa 50 Jahren für den Menschen zugänglich ist, hat sie 1989 weltweit ca. 15% der Elektrizitätsversorgung getragen. Länder wie Frankreich und Japan, die sich bereits stark auf die Kernenergie stützen, planen ebenso wie die meisten Länder Osteuropas einen weiteren Ausbau der nuklearen Energiegewinnung.

Karl Strauß

8. Nutzung erneuerbarer Energiequellen

Zusammenfassung

Es scheint eine berechtigte Sorge zu sein, daß bei der vorhersehbaren Verknappung einfach nutzbarer, fossiler Energierohstoffe aufgrund des dann bestehenden Nachfragedruckes mit drastischen Preiserhöhungen zu rechnen ist. Diese könnten wohl von den Industrieländern noch kompensiert werden, nicht aber von den Staaten der sogenannten Dritten Welt. Diese sind vielmehr noch für lange Zeit auf preiswerte fossile Energierohstoffe angewiesen. Wenn es gelänge, kurzfristig wenigstens einen Teil des zuwachsenden Energiebedarfs aus erneuerbaren Energiequellen zu decken, würde dies zu einer Entspannung des Marktes für fossile Energieträger beitragen.

Karl Strauß

9. Die weitere Entwicklung

Zusammenfassung

Die Geschichte der Menschen ist wohl schon über 40000 Jahre lang; davon sind etwa 5000 Jahre durch die Geschichtsschreibung belegt¹⁾. Man schätzt, daß zu Beginn unserer Zeitrechnung ca. 250 Millionen Menschen auf der Erde lebten. Durch eine Entwicklung, für die es in der Natur kein Analogon gibt, hat sich ihre Zahl über 1 Milliarde in 1850 auf heute 5,4 Milliarden erhöht. Soweit wir voraussehen können, wird sich die Bevölkerungszunahme fortsetzen. Im Jahr 2025 wird die Zahl der Menschen nach einer Vorausschätzung der Bevölkerungsabteilung der Vereinten Nationen bei 9 Milliarden liegen; gegen Ende des nächsten Jahrhunderts wird wohl ein neues “Gleichgewicht” bei 10 bis 15 Milliarden erreicht sein, vgl. Abb. 9.1.

Karl Strauß

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