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Die Naßkühlung ist das gebräuchlichste Kühlverfahren. Dieses Bild zeigt die "Tasse" am Boden eines Naturzug-Naßkühlturms, die das verrieselte Wasser auffängt, damit es erneut als Kühlwasser verwendet werden kann. |
Wenn der Dampf so weit wie möglich abgearbeitet ist und die Turbine verläßt, könnte man ihn mit Überdruck - das heißt mit Temperaturen von über 100 Grad - ins Freie entweichen lassen, wo er dann zu weißen Wolken kondensieren würde, wie das früher bei den Dampflokomotiven der Fall war. Bei den Dampfloks ließ man den abgearbeiteten Dampf allerdings nur deshalb entweichen, weil man keine andere Wahl hatte. Viel sinnvoller ist es, ihn in einem geschlossenen "Kondensator" soweit zu kühlen, daß ihm genau jene Wärmemenge entzogen wird, die für den Wechsel vom gasförmigen zum flüssigen Aggregatzustand erforderlich ist. Der Dampf kondensiert dadurch zu Wasser von derselben Temperatur. Das 30 bis 40 Grad warme Wasser läßt sich erneut als Speisewasser für den Dampfkreislauf verwenden.
Durch die Kondensation des Dampfes nimmt das Arbeitsmedium Wasser plötzlich ein weit geringeres Volumen ein. Im Kondensator entsteht dadurch ein starker Unterdruck, der weit unter dem Luftdruck liegt. Entsprechend erhöht sich mit dem Temperatur-Gefälle (oder "Enthalpie-Gefälle") zwischen dem Ein- und Ausgang der Maschine der thermische Wirkungsgrad. Für den Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks ist dieser Effekt der Kondensation noch wichtiger als die Möglichkeit, das Kondensat als vorgewärmtes Speisewasser erneut zu verwenden.
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Das Kernkraftwerk Brokdorf an der Elbe kommt mit einer Frischwasser-Durchlaufkühlung aus. |
Für den Betrieb des Kondensators wird eine Menge Kühlwasser benötigt. Dies ist der Grund, weshalb die Dampfkraftwerke meistens an Flüssen liegen (und weshalb bei Dampflokomotiven auf die Kondensation verzichtet werden mußte). Am einfachsten ist es, wenn man das benötigte Wasser dem Fluß oder Meer entnimmt und nach der Erwärmung im Kondensator wieder in das Gewässer zurückleitet. Mit einer solchen Frischwasserkühlung kommt zum Beispiel das Kernkraftwerk Brokdorf an der Elbe aus. Wenn aber die Wasserführung nicht ausreicht oder wenn eine unzulässige Erwärmung des Gewässers durch die Wiedereinleitung des Kühlwassers droht, muß ein Kühlturm errichtet werden. In diesem Kühlturm wird das Kühlwasser verrieselt, so daß es seine Wärme an die Luft abgeben kann, die von unten in den Kühlturm einströmt und nach oben aufsteigt. Am Boden des Kühlturms befindet sich ein Behälter, der das verrieselte Wasser nach der Abkühlung wieder aufnimmt, so daß es erneut als Kühlwasser für den Kondensator dienen kann. Ein kleiner Teil des Wassers (ca. 1,5 bis 2 Prozent) verdunstet bei der Verrieselung und wird von der aufsteigenden Luft mitgerissen. Bei der Kondensation dieses Dampfes an kühleren Luftschichten entstehen die typischen weißen Kühlturm-Schwaden. Der dadurch bewirkte Wasserverlust muß durch Zugabe frischen Wassers in den Kühlkreislauf des Kondensators ersetzt werden.
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Trockenkühltürme müssen bei gleicher Kühlleistung wesentlich größer gebaut werden als Naßkühltürme. |
Hybrid-Kühltürme sind eine Kombination aus Naß- und Trockenkühlturm. |
Ventilator-Kühltürme sind niedriger als Naturzug-Kühltürme, brauchen aber elektrische Energie für die Ventilatoren. |
Im Unterschied zu den hier beschriebenen Naßkühltürmen gibt es auch Kühltürme, über denen keine Schwaden zu sehen sind. In solchen Trockenkühltürmen wird das Wasser nicht verrieselt, sondern zirkuliert durch Röhren, an denen die aufsteigende Luft vorbeistreicht und so für die Abkühlung sorgt. Sie müssen bei gleicher Kühlleistung wesentlich größer gebaut werden als Naßkühltürme. Ferner gibt es Kombinationen aus Naß- und Trockenkühlturm, die man als Hybridkühlturme bezeichnet.
Die wirtschaftlich und technisch günstigste Lösung ist die Frischwasserkühlung, die allerdings große Mengen Kühlwasser erfordert. Naßkühltürme brauchen nur wenig Frischwasser zur Ergänzung ihres Kühlwasser-Kreislaufs. Sie sind aber teurer und verringern den Wirkungsgrad des Dampfkraftwerks gegenüber der Frischwasserkühlung um etwa einen Prozentpunkt. Trockenkühltürme kommen völlig ohne zusätzliches Kühlwasser aus und können deshalb unabhängig von Gewässern errichtet werden. Sie sind aber noch teurer und verringern den Wirkungsgrad gegenüber der Frischwasserkühlung um etwa zwei Prozentpunkte.
Die verschiedenen Arten von Kühltürmen können in zwei Varianten ausgeführt werden: Als Naturzugkühlturme und als Ventilatorkühltürme. Die Naturzugkühltürme erfordern eine recht große Bauhöhe, damit der "Zug" für die aufsteigende Luft zustande kommt. Die Ventilatorkühltürme kommen mit geringeren Bauhöhen aus. Dafür benötigen sie zusätzliche elektrische Energie für die Ventilatoren, die dem Luftzug nachhelfen.
Bei einigen neueren Kraftwerken mit fossiler Feuerung werden über die Kühltürme auch die gereinigten Rauchgase abgeleitet. Sie werden mit der warmen Kühlluft in relativ große Höhen transportiert. Dadurch erübrigt sich der Bau eines Schornsteins und das energieschluckende Wiederaufheizen der nach der Reinigung abgekühlten Rauchgase.
Dampfkraftwerke verfügen über sehr aufwendige Anlagen zur Rauchgasreinigung. Dabei wird Staub zu fast hundert Prozent herausgefiltert. Bei Schwefeldioxid beträgt der Abscheidegrad bis über 90 Prozent und bei Stickoxiden rund 80 Prozent. Die anfallenden Reststoffe (Gips, Asche) werden zu über 90 Prozent verwertet.
Seit Mitte der siebziger Jahre sind für neue Dampfkraftwerke generell Kühltürme vorgesehen. Wenn das Kühlwasser einem Fluß entnommen wird, schreibt ein "Wärmelastplan" vor, wieweit sich dadurch das Gewässer höchstens erwärmen darf. Wird diese Temperatur überschritten, muß das Kraftwerk notfalls seinen Betrieb einschränken oder sogar vorübergehend einstellen. Dies kann in warmen Sommern der Fall sein, wenn die Wasserführung gering und die Wassertemperatur durch die Sonneneinstrahlung sehr hoch ist. Zum Beispiel mußte das Kernkraftwerk Brokdorf seine Stromerzeugung im August 1995 mit Rücksicht auf die Temperatur der Elbe einschränken und im August 1994 sogar drei Tage lang unterbrechen.