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.

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 einem Kondensator abgekühlt und fließt von dort zurück in den Brennkessel. Der Kondensator selbst wird mit Wasser aus einem seperaten Kreislauf gekühlt und ist mit dem Kühlturm verbunden in dem ein Teil des Wasserdampf kondensiert und Teil des Kühlkreislaufs bleibt. Der andere Teil verlässt den Kühlturm als Wasserdampf.

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.

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.

Abb. 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.

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.

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.