Kohle-, Öl- und Gaskraftwerke Hauptseminar Physik im Alltag Vortrag am 07.07.2011 Abb. 1: Kohlekraftwerk [1]

Gliederung 1. Die Kraftwerke 1.1 Das Kohlekraftwerk 1.2 Das Ölkraftwerk 1.3 Das Gas- und Dampfkraftwerk 2. Entsorgung der Rückstände bei diesen Kraftwerken 1.1 Rauchgasentstickung 1.2 Rauchgasentstaubung 1.3 Rauchgasentschwefelung 1.4 Der Kühlturm 1.5 Die CCS-Methode 3. Quellen

1.1 Das Kohlekraftwerk Entstickungsanlage Elektrofilter Dampfturbine Entschw-efelung Kondensator Brenner mit Kessel Kühlturm Abb. 2: Schematischer Aufbau eines Kohlekraftwerks [2]

1.1.1 Prinzipielle Funktionsweise  Kohleförderbandanlagen  Fremdkörper-Abscheideanlage  Brecherturm Kohlemühle   Brennerraum  Wasserrohrkessel Kohle Kohlestaub Kohlestaub Wärme Wasserdampf Mit eingespeistem Kühlwasser

Rauchgasreinigung: Das im Brennerraum durch Verbrennung entstandene Rauchgas wird einer Entstaubung, einer Rauchgasentschwefelung und einer Rauchgasentstickung unterzogen, bevor es über den Schornstein entweicht

1.1 Das Kohlekraftwerk Entstickungsanlage Elektrofilter Dampfturbine Entschw-efelung Kondensator Brenner mit Kessel Kühlturm Abb. 3: Schematischer Aufbau eines Kohlekraftwerks [2]

Erhitzter Wasserdampf strömt zur Dampfturbine Trifft der Dampfstrahl auf die Blätter des Turbinenlauf- rades erfolg eine Energie- umwandlung Starre Leitbänder (grün) Schaufelblätter (rot) werden zum Ausgang hin größer, da sich der Dampf beim Passieren entspannt Abb. 4: Dampfturbine – schematischer Aufbau [3]

Unterhalb der Turbine befindet sich ein Kondensator mit Kühlwasser Abb. 5: Größenvergleich Kondensator und Mensch [4] Abb. 6: Kondensator in einem Kraftwerk [5]

Wasser-Dampf-Kreislauf Dampf aus der Turbine gibt Wärme an das Kühlwasser ab  Dampf verflüssigt sich durch Kondensation Wasser-Dampf-Kreislauf Abb. 7: Schematischer Aufbau eines Kohlekraftwerks [2]

Energieumwandlung im Überblick Abb. 8: Energiebilanz im Kohlekraftwerk [6]

1.1.2 Das Kohlekraftwerk in Zahlen Es gibt Kraftwerke für Braunkohle und für Steinkohle Kohle besteht aus Kohlenstoff

Braunkohle Steinkohle 40% Kohlenstoffanteil 50 Mio Jahre alt Enthält viel Feuchtigkeit Benötigte Kohlemenge 250kg/s Dicht unter der Erdoberfläche Vorkommen hauptsächlich in Deutschland, Polen, Australien Wirkungsgrad 43% + Leichter und billiger Abbau Hoher Schwefelgehalt Beeinträchtig Leben von Anwohnern Hohe Transportkosten Niedriger Brennwert 90% Kohlenstoffanteil 250 Mio Jahre alt Enthält kaum Feuchtigkeit Benötigte Kohlemenge 50kg/s tief unter der Erdoberfläche Vorkommen in vielen Ländern der Welt Wirkungsgrad 45% + Unabhängigkeit von OPEC-Ländern + sauber + sichert Arbeitsplätz + hohe Effizienz Abbau aufwendig und teuer Gefahren für Arbeiter

Zurück zum Kraftwerk… Einzelner Kraftwerksblock besitzt die Leistung von ca. 1000MW Wirkungsgrad im Mittel weltweit: 31% Deutschland: 38%

Umweltbelastungen Auswirkungen auf das Klima Bei der Verbrennung von Kohle wird sehr viel CO2 freigesetzt 6 der 10 am meisten CO2 produzierenden Kraftwerke sind in Deutschland Kohlendioxidausstoß: Braunkohle: 980-1230g/kWh Steinkohle: 790-1080g/kWh

Schwefelhaltige Verbindungen Der Verbrauch von 50-250kg Kohle pro Sekunde (4.320-21.600t pro Tag) entspricht einem Kohlenstoffdioxidausstoß von etwa 11.500-68000t pro Tag [17] Vergleich Auto: man müsste zwischen 90-520Mio Kilometer pro Tag fahren [17] Schadstoffausstoss Schwefelhaltige Verbindungen Schwefeldioxid, Feinstaub, Stickoxide, Schwermetalle Abb. 9: Auto [7]

Bei Direktkühlung mit Flusswasser Max. Temperatur 28°C [58] Erwärmung von Flüssen Bei Direktkühlung mit Flusswasser Max. Temperatur 28°C [58] Für ein 1300MW-Kraftwerk werden 160 000m3 Kühlwasser benötigt, dies entspricht einem Kanal von [58] Länge 100m Tiefe 10m Breite 16m Abb. 10: Kanal [8]

Radioaktive Emissionen Kohle enthält radioaktive Elemente: Uran, Thorium, Radium Gehalt je nach Lagerstätte <80ppm bei weltweit 7800Mio Tonnen verbrannter Kohle im Jahr, ist der geschätzte Gesamtausstoß auf 10.000t Uran und 25.000t Thorium [19b] Spekulativer Wert: „Insgesamt sei die durch Kohle freigesetzte Strahlung mehr als drei Mal höher als von Atomkraftwerken gleicher Leistung.“ (BUND)

1.2 Ölkraftwerke Funktionieren ähnlich wie Kohlekraftwerke Es verbrennt ca. 90t Öl pro Stunde Erdöl: direkt aus der Erde: schwarze, heiße, schmutzige, stinkende Flüssigkeit  Reinigung Erdöl wir verarbeitet zu: Heizöl, Benzin, Kerosin, Dieselöl,… In diesen verschiedenen Formen deckt es fast die Hälfte unseres gesamten Energiebedarfs Auch Rohstoff für Medikamente, Kunststoffe, Pflanzenschutzmittel, Nahrungsmittel, Reinigungsmittel, Kosmetika, …

Vorteile Öl liefert eine Anzahl unterschiedlicher Kraftstoffe Im Vergleich zu Kohle besser und wirkungsvoller Weniger Transport nötig Verbrennt sauberergeringere Luftverschmutzung Nachteile Erdölvorräte begrenzt Reiche Erdölförderländerpolitischer Einfluss

Auffinden von Ölquellen bedingt kostspielige Untersuchungen Nachteile Auffinden von Ölquellen bedingt kostspielige Untersuchungen Öltankerunfälle Großer Kohlenstoffdioxodemissionen (tägliche Produktion von über 4.000t) vergleich Auto: bei 100km/h rund 15kg CO2/h [30] Nimmt Verkehr/Industrie den Treibstoff weg Abb. 9: Auto [7]

1.3 Gas- und Dampfkraftwerk Gelangt meist über Rohrleitungen ins Haus und wirk unmittelbar verwendet Leistung: 80-860MW/Einheit Gasturbine/Dampfturbine Wirkungsgrad 35%

1.3.1 Prinzipielle Funktionsweise Abb. 11: Funktionsweise eines GuD-Kraftwerkes [9]

Vorteile Erdgas setzt bei der Verbrennung fast kein CO2 frei Gas besitzt einen hohen Wirkungsgrad, denn es verbrennt ohne Rückstände und kann jeder Zeit an- und ausgeschaltet werdenVorzug vor Kohle und Erdöl Nachteile Umweltschädliche Gase wie z.B. Methangas Fossiler Brennstoff

Nachteile Gaskompression für den Transport Explosionsgefahr Steigende Importabhängigkeit von wenigen, zum Teil politisch instabilen Regionen (Iran, Saudi-Arabien, Russland, …) Instabiler Brennstoffpreis

2 Entsorgung der Rückstände bei diesen Krafwerken Die Asche des Brennstoffes wird als Schlacke aus dem Brennerraum abgezogen und für die Weiterverwendung als Baustoff vorbereitet

2.1 Rauchgasentstickung Primär- und Sekundärverfahren Primärentstickung Einsatz spezieller Brenner am Dampferzeuger wird zunächst erreicht, dass nur geringe Mengen Stickoxide entstehen Faktoren, die die NO-Bildung begünstigen hohe Flammen-/Verbrennungstemperatur hohes Sauerstoffangebot hohe Verweilzeit der reagierenden Stoffe im Flammenbereich

Primärentstickung Rauchgasrezirkulation Einblasen bzw. Rezirkulieren von Rauchgas in die Verbrennungszone Senkung des Sauerstoffs und der Verbrennungstemperatur Luftstufung (air staging) Mehrere Verbrennungszonen um die Flamme herum Verlängerung der Verweilzeit in der Flamme

Primärentstickung Brennstoffstufung (fuel staging) Brennstoff wird in mehreren Stufen in den Verbrennungsraum gegeben Zonen unterschiedlicher Brennstoff-Luft-Verhältnissen werden geschaffen

Stickstoff + Wasserdampf Sekundärentstickung Nach der Verbrennung SCR-Verfahren (selektive katalytische Reduktion) am meisten verbreitet SCR-Verfahren: Zugabe eines Reduktionsmittels (Ammoniak): Stickoxide Kata- lysator Stickstoff + Wasserdampf Abb. 12: Rauchgasentschwefelung [Quelle leider nicht mehr auffindbar]

95% der Stickoxide werden entfernt Selektiv, da nicht alle Abgaskomponenten reduziert werden

2.2 Entstaubung Über Elektrofilter Sprühelektrode Draht) polar- isiert Staubpartikel negativ Beim Durchströmen eines elektrischen Feldes werden die Teilchen von einer positiv geladenen Niederschlagseletrode angezogen Abscheidegrad von 99% Wiederverwendung: Betonzusatz Abb. 13 Elektrofilter [12]:

2.3 Entschwefelung Entfernung von Schwefelverbindungen (SO2, SO3) Rauchgase werden mit dem in wässriger Lösung enthaltenen Absorptionsmittel (z.B. Ammoniak, am häufigsten jedoch Gips) abgekühlt und mit Wasserdampf gesättigt

Schwefeldioxid in CO2 und Kalziumsulfit Reagiert mit eingeblasener Luft am Boden zu Gips Abscheidungsgrad beträgt 95% Nun abgekühlte (75°C) Rauchgase werden über den Schornstein ausgeschieden Abb. 14: Rauchgasentschwefelung [11]

2.4 Der Kühlturm Naturzug-Nasskühlung Luft + Wasserdampf Abb. 15: Funktionsschema eines Kühlturms [13]

2.5 Die CCS-Methode CO2-Abscheidung und -Speicherung (engl. Carbon Dioxide Capture and Storage, kurz CCS) Injektion und behälterlose Lagerung in unterirdischen Gesteinsschichten auf unbegrenzte Zeit So soll weniger CO2 in die Atmosphäre gelangen Noch im Entwicklungsstadium Gängiger Einsatz frühestens in 10-20 Jahren

Abb. 16: CCS-Methode [13]

Bisher kein Gesetzesentwurf, der CCS erlaubt Probleme der CCS: CO2 verdrängt Salzwasser, aber wo geht dieses dann hin? Es könnten Drücke entstehen, die Gestein verdrängen  Erdbeben Leck  CO2 geht in Atmosphäre zurück Chancen der CCS: Steigende Belastung der Atmosphäre mit Treibhausgasen wird entgegengewirkt

Quellen Alle Wikipediaquellen wurden im Zeitraum vom 22.06-06.07.2011 aufgerufen Abbildungen: [1] http://www.dradio.de/dkultur/sendungen/zeitfragen/829057/bilder/image_main/ [2] http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/13kokw/kohle.htm [3] http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/seiten/htm/0602_Funktionsweise_einer_Dampfturbine.htm [4] http://www.wiwo.de/technik-wissen/der-markt-fuer-wasseraufbereitung-boomt-301782/3/ [5] http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/umwelt_technik/10kraftwerke/kokw/kondensator.htm [6] http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/umwelt_technik/10kraftwerke/kokw/kohle.htm [7] http://www.testedich.de/quiz29/quiz/1297548229/Was-fuer-ein-Auto-passt-zu-dir [8] http://www.wdr.de/themen/wissen/1/staedtebau/wasser/infobox/print.php [9] http://de.wikipedia.org/wiki/Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk [10] http://devserv.helliwood.de/sl_fullmobile_store/mobile_physik/Elektrofilter.htm [11] http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/umwelt_technik/10kraftwerke/kokw/rauchgas.htm [12] http://www.kkw-gundremmingen.de/kkw_t4.php [13] http://www.energieagentur.nrw.de/_database/_data/datainfopool/3D-schema_ccs.pdf Einstiegsliteratur: Buchal Christoph, Schönwiese Christian-Dietrich; KLIMA Die Erde und ihre Atmosphäre im Wandel der Zeiten, Helmholtz Gemeinschaft, 1. Auflage 2010, Gütersloh Buchal Christopg; ENERGIE Natur Mensch Technik Umwelt Klima Zukunft, Helmholtz-Gemeinschaft, 2. Auflage 2008, Baden-Baden

Weitere :Literatur: Kohlekraftwerk: [14]http://www.steag.com/fileadmin/vkw/kwd/STEAG_vKW.html [15]http://bergbau-und-energie.de/index.html [16] http://www.renewable-energy24.eu/de/konventionelle-stromerzeugung.html [17]http://energy.juniorwebaward.ch/index.php/physische-energie/elektrische-energie/elektrizitaet-vom-mensch-hergestellt/kohlekraftwerke/vor-und-nachteile [18]http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/13kokw/turbine.htm [19a] http://de.wikipedia.org/wiki/Kohle [19b] http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlekraftwerk [20] http://de.wikipedia.org/wiki/Braunkohle [21]http://de.wikipedia.org/wiki/Steinkohle [22] http://de.wikipedia.org/wiki/Xylit_%28Kohle%29 [23] http://www.bund-nrw.de/themen_und_projekte/braunkohle/braunkohlekraftwerke/ [24] http://www.bund-nrw.de/themen_und_projekte/braunkohle/braunkohle_und_umwelt/ [25 ]http://www.bund-nrw.de/themen_und_projekte/braunkohle/braunkohle_und_energie/ [26] http://www.bund-nrw.de/fileadmin/bundgruppen/bcmslvnrw/PDF_Dateien/Themen_und_Projekte/Braunkohle/Energie_und_Braunkohle/alternativen-zur-braunkohle-2004.pdf [27] http://www.energie-fakten.de/pdf/wirkungsgrade.pdf [28] http://www.energie-fakten.de/pdf/wirkungsgrade.pdf  Erdölkraftwerk: [29] http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96lkraftwerk [30] http://energy.juniorwebaward.ch/index.php/physische-energie/elektrische-energie/elektrizitaet-vom-mensch-hergestellt/kohlekraftwerke

[31] http://www.eon-kraftwerke.com/info/Oelkraftwerk.html [32] http://apps.eon.com/documents/standort_ingolstadt_ger.pdf Kohlekraftwerk: [14]http://www.steag.com/fileadmin/vkw/kwd/STEAG_vKW.html [15]http://bergbau-und-energie.de/index.html [16] http://www.renewable-energy24.eu/de/konventionelle-stromerzeugung.html [17]http://energy.juniorwebaward.ch/index.php/physische-energie/elektrische-energie/elektrizitaet-vom-mensch-hergestellt/kohlekraftwerke/vor-und-nachteile [18]http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/13kokw/turbine.htm [19a] http://de.wikipedia.org/wiki/Kohle [19b] http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlekraftwerk [20] http://de.wikipedia.org/wiki/Braunkohle [21]http://de.wikipedia.org/wiki/Steinkohle [22] http://de.wikipedia.org/wiki/Xylit_%28Kohle%29 [23] http://www.bund-nrw.de/themen_und_projekte/braunkohle/braunkohlekraftwerke/ [24] http://www.bund-nrw.de/themen_und_projekte/braunkohle/braunkohle_und_umwelt/ [25 ]http://www.bund-nrw.de/themen_und_projekte/braunkohle/braunkohle_und_energie/ [26] http://www.bund-nrw.de/fileadmin/bundgruppen/bcmslvnrw/PDF_Dateien/Themen_und_Projekte/Braunkohle/Energie_und_Braunkohle/alternativen-zur-braunkohle-2004.pdf [27] http://www.energie-fakten.de/pdf/wirkungsgrade.pdf [28] http://www.energie-fakten.de/pdf/wirkungsgrade.pdf

Erdölkraftwerk: [29] http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96lkraftwerk [30] http://energy.juniorwebaward.ch/index.php/physische-energie/elektrische-energie/elektrizitaet-vom-mensch-hergestellt/kohlekraftwerke [31] http://www.eon-kraftwerke.com/info/Oelkraftwerk.html [32] http://apps.eon.com/documents/standort_ingolstadt_ger.pdf Gaskraftwerk: [33] http://www.ri-ing-gmbh.de/gud-kraftwerk.html [34] http://library.thinkquest.org/C006011/german/sites/gasturbine.php3?v=2 [35] http://www.trianel-hamm.de/de/kraftwerk/funktionsschema.html [36] http://www.wir-ernten-was-wir-saeen.de/energiespiel/content/gaskraftwerk [37] http://www.cognitive-tools.de/mapping-software/Funktionsweise_eines_Kohlekraftwerks_Kohlekraftwerkes.html [38] http://www.urania-dresden.de/heizkraftwerk.html [39] http://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbinenkraftwerk (06.07.2011) [40] http://de.wikipedia.org/wiki/Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (06.07.2011) [41] http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfturbine (05.07.2011) [42] http://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbine (05.07.2011) [43] http://de.wikipedia.org/wiki/Generator (05.07.2011) [44] http://energy.juniorwebaward.ch/index.php/physische-energie/elektrische-energie/elektrizitaet-vom-mensch-hergestellt/gaskraftwerke Rauchgasreinigung: [45] http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/rauchgas/rauchgasentschwefelung.htm [46] http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/seiten/htm/010607_Rauchgasentschwefelung_in_Verbrennungskraftwerken.htm

[47] http://www.chemie.de/lexikon/Rauchgasentstickung.html [48] http://www.chemie.de/lexikon/Rauchgasentschwefelung.html [49] http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/umwelt_technik/10kraftwerke/kokw/rauchgas.htm [50] http://www.eon-kraftwerke.com/pages/ekw_de/Verantwortung/Umwelt-_und_Klimaschutz/Rauchgasreinigung/index.htm [51] http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/01elektrofilter/elektrofilter.htm [52] http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/seiten/htm/090201_Naturzug-Nasskuehlturm_in_Waermekraftwerken.htm [53] http://de.wikipedia.org/wiki/Rauchgas [54] http://de.wikipedia.org/wiki/Rauchgasentstickung [55] http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/seiten/htm/010607_Rauchgasentschwefelung_in_Verbrennungskraftwerken.htm [56] http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%BChlturm [57] http://www.almeco.eu/de/produkte-dienste/kuehltuerme/wie-funktioniert-ein-kuehlturm.html [58]http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/13kkw/kuehlturm.htm CCS-Methode: [60] http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cberkritisches_Kohlenstoffdioxid [61] http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlendioxid [62] http://de.wikipedia.org/wiki/CO2-Abscheidung_und_-Speicherung [63] http://www.vattenfall.de/de/das-ccs-projekt-von-vattenfall.htm [64] http://www.eon.com/de/businessareas/35247.jsp [65] http://www.bund.net/bundnet/themen_und_projekte/klima_energie/co2_endlagerung/ [66] http://www.energieagentur.nrw.de/ccs-tagung/page.asp?TopCatID=11641&RubrikID=11641

[67] http://www.co2-ausstoss.com/emissionen/ [68] http://www.zeit.de/2009/24/T-CCS [69] http://www.wupperinst.org/uploads/tx_wibeitrag/LDW09_carbon_capture.pdf [70] http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-medien/dateien/3804.htm [71] http://www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/B/bericht-entwicklungsstand-und-perspektiven-von-ccs-technologien-in-deutschland,property=pdf,bereich=bmwi,sprache=de,rwb=true.pdf [72] http://www.zeit.de/2009/24/T-CCS (27.06.2011) [73] http://www.bund-nrw.de/fileadmin/bundgruppen/bcmslvnrw/PDF_Dateien/Themen_und_Projekte/Energie_und_Klima/Kohlekraftwerke/BUNDhintergrund_CCS_06_2009.pdf [74] http://www.futureocean.org/forschungsfelder/ozeanwandel/cosub2sub-deponierung/fakten/ [75] http://www.oekom.de/fileadmin/zeitschriften/poe_leseproben/politische-oekologie-123_Esken.pdf [76] http://www.oekom.de/fileadmin/zeitschriften/poe_leseproben/politische-oekologie-123_Donnermeyer.pdf [77] http://www.energiewendesh.de/poe123_niels.pdf   Sonstiges und Zusammenfassendes: [78] http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk#Wirkungsgrad [79] http://de.wikipedia.org/wiki/Energiequelle [80] http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm [81] http://www.eduvinet.de/eduvinet/wachten.htm [82] http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk [83] http://www.eon-kraftwerke.com/pages/ekw_de/Innovation/Neubau/Neubauoptionen/_Vor-_und_Nachteile_Kohle_und_GuD_Kraftwerke/index.htm

[84] http://www. th. schule [84] http://www.th.schule.de/ef/gs31/datenbank/hk/hk_thue/th_strom/kraftwerkarten/kraftwerksarten.htm [85] http://de.wikipedia.org/wiki/Kraft-W%C3%A4rme-Kopplung [86] http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk_Schwarze_Pumpe [87] http://de.wikipedia.org/wiki/Industriepark_Schwarze_Pumpe [88] http://www.sueddeutsche.de/wissen/kohlekraftwerk-schwarze-pumpe-abgase-in-den-untergrund-1.690584 [89] http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/saurer_regen/saurer_regen.htm [90] http://de.wikipedia.org/wiki/Carnot-Kreisprozess [91] http://www.ier.uni-stuttgart.de/publikationen/arbeitsberichte/Arbeitsbericht_04.pdf [92] http://www.eduvinet.de/eduvinet/wachten.htm [93] http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfkraftwerk [94] http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,575028,00.html (27.06.2011) [95] http://www.zeit.de/2011/26/P-oped-Atomausstieg (27.062011)

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