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Kohlekraftwerk

Kohlekraftwerk

Kohle ist eines der am häufigsten verwendeten Brennstoffe und wird nicht nur für das Befeuern von Lagerfeuern oder Grills verwendet, sondern auch zur Energieerzeugung. In Kohlekraftwerken wird Steinkohle und Braunkohle verbrannt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Aber welche Leistung können Kohlekraftwerke erbringen, was sind Vor- und Nachteile von Kohlekraftwerken, und wie groß ist eigentlich der CO2 Ausstoß?

Kohlekraftwerk Funktion

In Kohlekraftwerken wird Braun- und Steinkohle verbrannt, um Strom zu erzeugen.

Im Brennkessel eines Kohlekraftwerkes wird Kohle verbrannt, welcher Wasser in einem Rohrsystem so lange erhitzt, bis dieses gasförmig ist. Der Wasserdampf treibt die Schaufeln einer Turbine an, welcher an einen Generator angeschlossen ist. Der Generator wandelt die Bewegung der Turbine in elektrischen Strom um.

Zeitgleich wird in das Abgas der Kohle in einem mehrschrittigen System von gefährlichen Schadstoffen bereinigt, um es dann in die Luft auszustoßen.

Um diesen Prozess genauer zu verstehen, kannst Du Dir zuerst den Aufbau eines solchen Kraftwerkes und die Funktionsweise der einzelnen Komponenten genauer anschauen.

Kohlekraftwerk Aufbau

Der größte Teil der Arbeit eines Kohlekraftwerkes wird im Brennkessel und an der Turbine, die an einen Generator angeschlossen ist, verrichtet. Sie bilden das Herzstück des Kraftwerkes. Die anderen Komponenten werden verwendet, um das Wasser im Kreislauf des Kraftwerkes zu behalten und die Umweltverschmutzung teilweise zu verringern.

Im Brennkessel wird Kohlestaub, welches über ein Gebläse in den Kessel gepustet wird, verbrannt. Wasser wird aus nahegelegenen Flüssen, mithilfe von Pumpen durch Rohre in den Brennkessel geleitet. Die entstehende Hitze im Kessel sorgt dafür, dass sich das Wasser in den Rohren erhitzt. Die Rohre befinden sich am oberen Ende des Kessels. Das Wasser in den Rohren wird so lange erhitzt, bis es zu Wasserdampf wird.

Der Wasserdampf wird weitergeleitet und zu den Turbinen befördert. Die Turbinenschaufeln werden durch den Wasserdampf in Bewegung gesetzt, wodurch eine mechanische Rotationsenergie der Turbinen entsteht. An der Drehachse sind die Turbinen miteinander verbunden und an einen Generator angeschlossen.

Der Generator erzeugt aus der Rotationsenergie, die von den Turbinen übertragen werden, elektrischen Strom. Dieser elektrische Strom wird an einen Transformator weitergeben, welcher wiederum den Strom an das Stromnetz abgeben kann.

Der Wasserdampf in den Turbinen wird in den Kühlturm weitergeleitet, wo der Wasserdampf abgekühlt wird. Ein Teil des Wasserdampfes wird dann mithilfe von Pumpen zurück in die Rohre und in den Brennkessel gepumpt.

Im Brennkessel wird nicht nur das Wasser in den Rohren erhitzt, sondern es sammelt sich auch Rauch und Gas, welches bei der Verbrennung der Kohle entsteht. Das Rauchgas steigt nach oben im Kessel und wird dann weitergeleitet, um über mehrere Schritte gereinigt zu werden.

Stickoxide im Rauch und Abgas werden in Katalysatoren gefiltert, bevor die Rauchgas-Entstaubung erfolgt. Dort wird der Rauch vom Feinstaub getrennt. In der Entschwefelung wird das Schwefeldioxid aus dem Abgas entfernt, indem das Gas mit Kalkmilch (Wasser+Kalk) besprüht wird. So wird der Schwefel gebunden und Gips entsteht. Dieser kann in der Baubranche weiter verwendet werden.

Durch diesen Reinigungsprozess werden große Teile der Schadstoffe gefiltert. Der Rest des Abgases, inklusive großer Mengen CO2, werden über den Kamin in die Luft verteilt.

Um den elektrischen Strom zu erzeugen, wird im Kohlekraftwerk Energie in mehreren Schritten umgewandelt. Aber wie genau sieht diese Energieumwandlung aus?

Energieumwandlung Kohlekraftwerk

Die Energie, die im Kohlekraftwerk umgewandelt wird, kommt aus der chemischen Energie der Kohle.

In der Brennkammer wird diese Kohle verbrannt. Dabei wird die chemische Energie der Kohle in Wärmeenergie, oder auch thermische Energie genannt, umgewandelt.

Über das Wasser in den Rohren wird die Wärme weitergegeben. Das Wasser wird so lange erhitzt, bis dieses sich in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Der Druck des Wasserdampfes wird durch weiteres Erhitzen erhöht.

Die Schaufeln der Turbine werden dann durch den Wasserdampf angetrieben, sodass die thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Im Generator wird dann die mechanische in elektrische Energie umgewandelt. Zuletzt wandelt der Transformator die Spannung des Stroms für die Einspeisung ins Stromnetz um.

Energieflussdiagramm Kohlekraftwerk

Zusammengefasst verläuft der Energieumwandlungsprozess über folgende Schritte.

In der Brennkammer wird die chemische Energie der Kohle in thermische Energie gewandelt. Der Wasserdampf in den Rohren leitet die thermische Energie weiter an die Turbine, wo die thermische in mechanische Energie gewandelt wird. Der angeschlossene Generator wandelt diese dann im letzten Schritt in elektrische Energie um.

Im Kohlekraftwerk wird also über all diese Schritte aus chemischer Energie elektrische Energie.

Kohlekraftwerk Leistung

Im Jahr 2021 wurde insgesamt knapp 28 % des Stroms in Deutschland in Kohlekraftwerken erzeugt. Ein einzelner Kohlekraftwerkblock produziert dabei zwischen 100 MW (Megawatt) und einem Gigawatt im Monat. Das entspricht ungefähr dem Verbrauch von 20.000 bis 25.000 Vier-Personen-Haushalten pro Jahr. Die meisten Kohlekraftwerke bestehen allerdings aus mehreren dieser Kraftwerkblöcke, um noch höhere Leistungen zu erreichen.

In den meisten Kohlekraftwerken werden jedes Jahr mehrere Millionen Tonnen an Kohle verbrannt. Beim Verbrennen der Kohle, wird allerdings nicht die gesamte Energie, die bei der Verbrennung freigesetzt wird, in elektrischen Strom gewandelt. Der elektrische Wirkungsgrad solcher Kraftwerke liegt in den meisten Fällen unter der Hälfte.

Wirkungsgrad Kohlekraftwerk

Die modernsten Kohlekraftwerke besitzen einen Wirkungsgrad von bis zu 45 %. Das bedeutet, dass über die Hälfte der Energie verloren geht. Ein großer Teil der Energie geht bei der Verbrennung verloren. Also wird nicht die gesamte thermische Energie ausgenutzt, um den elektrischen Strom zu erzeugen.

Die Energie, die beim Abbau der Stein- und Braunkohle, und dem Betreiben der Geräte im Kraftwerk erforderlich ist, ist dabei noch gar nicht berücksichtigt. Die Rauchgasreinigung, die Kohlemühlen, und einige Kühlvorrichtungen müssen ebenfalls mit dem elektrischen Strom versorgt werden, der dort produziert wird. Dadurch wird knapp 10 % des erzeugten Stroms bereits vor Ort im Kraftwerk verbraucht.

Weltweit wird der Großteil des Stroms in Kohlekraftwerken produziert, die zum Teil auch deutlich älter sind, und auf weniger aktuellen technologischen Ständen sind. Alte Kohlekraftwerke funktionieren mit Wirkungsgraden, die unter 35 % liegen.

Kohlekraftwerke können also große Mengen an Energie erzeugen, aber sind dabei aber nicht sehr effizient, welche weiteren Vor- und Nachteile besitzen Kohlekraftwerke?

Kohlekraftwerk Vor- und Nachteile

2021 gab es in Deutschland knapp 130 aktive Kohlekraftwerke, die knapp 28 % des Stroms in Deutschland zu diesem Zeitpunkt produziert haben. Damit ist die Kohlekraft eine der Hauptenergieträger.

Vorteile von KohlekraftwerkenNachteile von Kohlekraftwerken
Hauptenergieträger in Deutschland im Jahr 2021regelmäßige Rodung von Wäldern
große Kohlevorkommen in DeutschlandAbriss und Umsiedlung von Dörfern
kostengünstiger Abbau und BetriebGrundwasser muss abgesenkt werden
bietet ArbeitsplätzeKohlebergbau ist gefährlich für in Mienen Arbeitende
geringer Wirkungsgrad (unter 50 %)
Kohle ist eine fossile und endliche Ressource
starke Umweltbelastung durch Emissionen
Stickoxide, Feinstaub und große Mengen CO2 werden freigesetzt

Im Bundesland Nordrhein-Westfalen sind insgesamt die meisten Kohlekraftwerke in Deutschland. Dort befindet sich auch eines der größten Vorkommen an Kohle in Deutschland. Der Kohlebergbau ist relativ kostengünstig und bietet Arbeitsplätze. Außerdem ist der Betrieb von Kohlekraftwerken relativ günstig. Dadurch ist der Strom, der dort produziert wird, auch relativ günstig.

Kohlekraftwerk Bergbau Kohle abgraben Vor und Nachteile StudySmarterAbb. 3 - Braunkohle Tagebau.

Braunkohle wird in der Regel im Tagebau, wie diesem in Abbildung 3, abgebaut. Für diese Anlagen müssen regelmäßig Wälder gerodet werden und Dörfer abgerissen und umgesiedelt werden. Auch auf das Grundwasser hat der Tagebau einen negativen Effekt, da dieser sinken wird, und im schlimmsten Fall sogar verseucht und vergiftet werden kann.

Der Abbau von Kohle erfolgt ebenfalls im Kohlebergbau. Arbeitende sind für den Abbau unter Tage. Das kann für Arbeitende gefährlich werden und es kommt häufig zu Unfällen in Gruben, wo Tunnel einstürzen oder anderwärtige Unglücke passieren können.

Kohlekraftwerke sind nicht sonderlich effizient, weil der Wirkungsgrad der Leistung geringer als 50 % ist, und große Teile der Energie für den Betrieb des Kraftwerkes und den Abbau selbst verwendet werden.

Kohle ist eine fossile, und endliche Ressource. Das bedeutet, dass es nur eine begrenzte Menge an Kohle gibt, die noch abgebaut und für den Betrieb von Kohlekraftwerken verwendet werden kann. Außerdem verursachen Kohlekraftwerke eine starke Umweltbelastung.

Vor allem Braunkohle besitzt einen hohen Schwefelanteil, der besonders giftig und gefährlich für die Umwelt ist. Beim Verbrennen der Kohle im Kraftwerk werden zusätzliche giftige Emissionen freigesetzt. Stickoxide, Schwefeloxid und Feinstaub, welcher sehr gefährlich für die Lunge ist und Asthma und andere Lungenkrankheiten verursachen kann, werden freigesetzt.

Anders als in Kohlekraftwerken wird beim Grillen nicht Braun- oder Steinkohle verwendet, sondern Holzkohle.

Der größte Nachteil der Kohlekraftwerke sind die hohen CO₂-Emissionen, die maßgeblich für den Klimawandel verantwortlich sind.

Kohlekraftwerk CO₂ Ausstoß

Einzelne Kraftwerkblöcke können pro Jahr bis zu 4 Millionen Tonnen an Kohle verbrennen. Mit einem CO2 Ausstoß von knapp 1 kg CO2 pro kWh ist die Energieerzeugung in Kohlekraftwerken eine der umweltschädlichen Energieerzeugungsformen. Der Energieträger mit dem geringsten CO₂-Ausstoß pro kWh Energie ist die Kernkraft, dort werden nur knapp 12 Gramm CO2 pro kWh erzeugt. Dennoch ist auch die Kernkraft umwelttechnisch nicht unumstritten.

Wenn Du mehr über Kernkraftwerke erfahren möchtest, dann schau Dir gerne die Erklärung zu diesem Thema an.

Über 150 Millionen Tonnen an Kohle wurden 2021 in Deutschland abgebaut, davon wird ein Teil an europäische Nachbarländer exportiert. Insgesamt beträgt der CO2 Ausstoß in Deutschland durch Kohlekraftwerke knapp 130 Millionen Tonnen CO2. Das ist mehr als 1/5 der gesamten Emissionen in Deutschland.

Kohlekraftwerk – Das Wichtigste

  • Kohle ist ein fossiler Brennstoff, der als einer der international größten Energieträger gilt.
  • In Kohlekraftwerken wird Braun- und Steinkohle verbrannt, um elektrischen Strom zu generieren.
  • Im Brennkessel eines Kohlekraftwerkes wird gemahlene Kohle verbrannt, um Wasser in Rohre so weit zu erhitzen, dass dieses sich in Wasserdampf verwandelt.
  • Der Wasserdampf treibt eine Turbine an, welche an einen Generator angeschlossen ist, welcher den elektrischen Strom erzeugt.
  • Die Abgase und der Ruß werden in mehreren Schritten weitestgehend gefiltert, um Schadstoffe herauszufiltern.
  • Im Kohlekraftwerk wird die chemische Energie der Kohle erst in thermische, dann in mechanische und schließlich in elektrische Energie umgewandelt.
  • Die neusten Kohlekraftwerke besitzen einen Wirkungsgrad von bis zu 45 %, der Rest der Energie geht in Abwärme verloren.
  • Ältere Kohlekraftwerke besitzen zum Teil Wirkungsgrade von unter 35 %.
  • Kohle ist eine weitverbreitete Ressource, die kostengünstig abgebaut werden und damit günstigen Strom produzieren kann.
  • Kohlekraftwerke verursachen große Umweltschäden, aufgrund der giftigen und gefährlichen Abgase bei der Verbrennung.
  • Bei der Verbrennung werden große Mengen an CO2 freigesetzt, weshalb Kohlekraftwerke eine große Rolle beim Klimawandel spielen.

Nachweise

  1. stromrechner.com: Wie viel Strom produziert ein Kohlekraftwerk? (13.10.22)
  2. destatis.de: Bruttostromerzeugung in Deutschland (13.10.22)
  3. enbw.com: Kohlekraftwerke - Technik und Funktionsweise (13.10.22)
  4. energie-lexikon.info: Kohlekraftwerk (13.10.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kohlekraftwerk

Kohlekraftwerke verursachen große Schäden an der Umwelt, durch den Ausstoß von gefährlichen und zum Teil giftigen Abgasen. Der Kohleabbau unter Tage ist für Arbeitende ebenfalls gefährlich und es kommt häufig zu Unfällen.

Kohle ist eine häufige Ressource, die kostengünstig abgebaut werden kann. Kohlekraftwerke sind ebenfalls einfacher zu betreiben als andere Kraftwerke. Dadurch ist die Kohlekraft ein günstiger Energieträger.

Kohlekraftwerke können zwischen 100 Megawattstunden und einer Gigawattstunde pro Monat produzieren.

Kohlekraftwerke werden mit den fossilen Brennstoffen Braun- oder Steinkohle betrieben. Kernkraftwerke produzieren elektrischen Strom mithilfe von kernphysikalischen Prozessen.

Finales Kohlekraftwerk Quiz

Frage

Benenne den Prozess, bei dem die Abgase von Kohlekraftwerken gefiltert werden.

Antwort anzeigen

Antwort

Rauchgasreinigung und Entstaubung

Frage anzeigen

Frage

Nenne das Bauteil, in welchem in Kohlekraftwerken, mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Generator

Frage anzeigen

Frage

Wähle die Energieform aus, die keine Rolle im Kernumwandlungsprozess spielt.

Antwort anzeigen

Antwort

Strahlungsenergie

Frage anzeigen

Frage

Erläutere den Energieumwandlungsprozess im Kernkraftwerk, Schritt für Schritt.

Antwort anzeigen

Antwort

In der Brennkammer wird die chemische Energie der Kohle in thermische Energie gewandelt. Der Wasserdampf in den Rohren leitet die thermische Energie weiter an die Turbine, wo die thermische in mechanische Energie gewandelt wird. Der angeschlossene Generator wandelt diese dann im letzten Schritt in elektrische Energie um.

Frage anzeigen

Frage

Gib die Höhe des Wirkungsgrades eines Kohlekraftwerkes an.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Wirkungsgrad bei modernen Kohlekraftwerken liegt bei bis zu 45 %. Bei älteren Kohlekraftwerken liegt der Wert allerdings zum Teil unter 35 %.

Frage anzeigen

Frage

Benenne die Energieform, die die Turbine besitzt, wenn sie durch den Wasserdampf in Bewegung gesetzt wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Rotationsenergie

Frage anzeigen

Frage

Gib zwei Vorteile für den Betrieb von Kohlekraftwerken an.

Antwort anzeigen

Antwort

Vorteile der Kohlekraft sind:

- große Verfügbarkeit von Kohle

- kostengünstiger Abbau und Betrieb

- bietet Arbeitsplätze

Frage anzeigen

Frage

Gib zwei Nachteile für den Betrieb von Kohlekraftwerken an.

Antwort anzeigen

Antwort

Nachteile sind:

- Abriss und Umsiedlung von Dörfern

- geringer Wirkungsgrad (unter 50 %)

starke Umweltbelastung durch Emissionen

Stickoxide, Feinstaub und große Mengen CO2 werden freigesetzt

Abriss und Umsiedlung von Dörfern

Frage anzeigen

Frage

Entscheide, in welchem dieser Bauteile die Umwandlung von thermischer, in mechanische Energie stattfindet.

Antwort anzeigen

Antwort

Turbine

Frage anzeigen

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