Kohlekraftwerk einfach erklärt

Ein Kohlekraftwerk ist eine technische Anlage zur Stromerzeugung. Hierbei werden fossile Brennstoffe, wie Braun- oder Steinkohle, zur Erzeugung von Strom verbrannt. Der Wirkungsgrad bewegt sich dabei zwischen 40 und 45 Prozent.

Ein Kohlekraftwerk funktioniert einfach gesagt so: In einem Kessel wird die Kohle verbrannt, wodurch heiße Rauchgase entstehen. Der heiße Rauch erhitzt dann Wasser, welches zu heißem Dampf wird. Der Dampf wiederum treibt eine Turbine an und wird danach im wieder zu Wasser kondensiert. Die angetriebene Dampfturbine treibt den Generator an, welcher dann elektrischen Strom erzeugt.

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Was passiert im Kohlekraftwerk?

In Deutschland sind die fossil befeuerten Kohlekraftwerke nach wie vor mit einem hohen Anteil an der Stromversorgung beteiligt. Ein entscheidender Grund dabei ist, dass sie witterungsunabhängig einsetzbar sind.

Kohlekraftwerk Aufbau

Ein Kohlekraftwerk besteht aus mehreren wichtigen Anlagen. Den Aufbau eines Kohlekraftwerks kannst du folgendermaßen gliedern:

  • In der Kohlemühle wird die Kohle gemahlen, um anschließend effizient verbrannt werden zu können. Im Kessel erfolgt dann die Verbrennung mithilfe von Brennern.
  • Die Anlagen zur Rauchgasreinigung filtern die bei der Verbrennung entstandenen Abgase, bevor sie über den Schornstein entweichen.
  • Der Dampferzeuger befindet sich im Kessel und führt das Wasser in Rohren entlang der heißen Verbrennungsgase. Hier entsteht dann der Wasserdampf.
  • Der aufkommende Wasserdampf wird zur Dampfturbine weitergeleitet. Der Dampf treibt die Turbine an, das heißt, sie fängt an sich zu drehen.
  • Der Generator wird von der Turbine angetrieben und erzeugt durch die Drehung elektrischen Strom. Der elektrische Strom wird über einen Transformator (kurz Trafo) in das Stromnetz eingespeist.
  • Der Kondensator kühlt und kondensiert den Wasserdampf nach der Dampfturbine wieder. Über einen Kühlturm wandelt er den Dampf wieder in Wasser um, welches dann wieder erneut in Wasserdampf überführt werden kann. Somit ist der Kreislauf geschlossen.
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vereinfachter Aufbau eines Kohlekraftwerks

Im Kessel treffen Wasser und heiße Rauchgase durch Rohre getrennt, also indirekt, aufeinander. Es wird immer wieder neues Wasser in die Rohrleitungen gepumpt. Während gleichzeitig immer wieder Kohle verbrannt wird.

Wie funktioniert ein Kohlekraftwerk?

Wie aus der Verbrennung von Kohle elektrischer Strom entsteht und wie das Kohlekraftwerk funktioniert, kannst du anhand der sechs Hauptprozesse erkennen. Die Hauptprozesse in einem Kohlekraftwerk umfassen die Verbrennung, die Rauchgasreinigung, die Dampferzeugung, die Dampfturbine, den Kondensator und den Generator.

  1. Im Rahmen der Verbrennung wird die Kohle gemahlen, in den Kessel eingeblasen und dort verbrannt. Dabei bilden sich heiße Rauchgase.
  2. Bei der Rauchgasreinigung werden die Rauchgase in drei Schritten von umweltschädlichen Schadstoffen gefiltert.
  3. Die heißen Rauchgase erhitzen Wasser, das über ein Rohrleitungssystem durch den Kessel läuft. Dabei wird das Wasser so erhitzt, dass sich Dampf bildet. Die Dampferzeugung findet statt.
  4. Der Dampf durchströmt eine Dampfturbine und versetzt die Turbinenschaufeln in Bewegung. Die dabei abgegebene Energie wird in Drehenergie umgewandelt.
  5. Durch den Kondensator kann der nicht mehr nutzbare Dampf wieder in Kühlwasser umgewandelt und nutzbar gemacht werden.
  6. Die Turbine kann mit der Energie vom Wasserdampf ihre Turbinenwelle antreiben. Sodass der Generator dadurch Strom erzeugen kann. Es entsteht die gewünschte elektrische Energie.
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Stoff- und Energieflüsse eines Kohlekraftwerks

Verbrennung

Bevor die Kohle verbrannt werden kann, muss sie zerkleinert werden. Die Kohlemühlen mahlen die Kohle, die meist in groben Brocken angeliefert wird, zunächst zu Staub. Dadurch hat die Kohle eine größere Oberfläche und kann besser verbrannt werden. Anschließend wird der feine Kohlenstaub in den Kessel eingeblasen und mithilfe von Brennern vollständig verbrannt. Die sogenannte Schlacke bleibt zurück.

Rauchgasreinigung

Bei der Verbrennung von Kohle entstehen hauptsächlich Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Gase, wie Schwefeldioxid. Die umweltschädlichen Abgase müssen dabei eine Rauchgasreinigung durchlaufen, bevor sie in die Umwelt abgegeben werden. Die Abgase werden meistens in drei Schritten gereinigt:

  • Entstaubung mit Elektrofilter: Der Elektrofilter bzw. Entstauber ist ein System zahlreicher Metallplatten (Niederschlagselektroden) und Metallschienen (Sprühelektroden). Es entsteht ein starkes elektrisches Feld, welches eine sogenannte Sprühentladung bewirkt. Das kannst du dir so vorstellen, dass die Staubpartikel eine negativ Ladung bekommen, zu den positiv geladenen Niederschlagselektroden wandern und sich dadurch der Staubbelag löst. So können Fremdbestandteile aus dem Gas abgeschieden werden.
  • Rauchgasentstickung (auch DeNOx genannt): Dabei sollen die entstandenen Stickoxide (NOx) im Rauchgas entfernt werden. Hierfür werden Ammoniak (NH3) eingesprüht und Katalysatoren eingesetzt. Aus den Stickoxiden wird elementarer Stickstoff.
  • Rauchgasentschwefelung (auch DeSOx genannt): Es entstehen auch schädliche Schwefeloxide (SOx), die ebenfalls weitestgehend entfernt werden müssen. Hierfür gibt es mehr als hundert verschiedene Verfahren. Das geläufigste Verfahren ist das sogenannte Nassverfahren. Dabei wird das Rauchgas mit einer Waschsuspension, einem Gemisch aus Kalkstein und Wasser, besprüht.

Dampferzeugung

Im Verbrennungskessel befindet sich ein Rohrleitungssystem, der sogenannte Dampferzeuger. Durch die Rohre fließt Wasser, welches durch die heißen Rauchgase zum Sieden gebracht wird. Das Wasser wurde dafür zuvor durch eine Speisewasserpumpe in das Rohrleitungssystem eingeleitet. Es entsteht Wasserdampf, der zu der Dampfturbine strömt.

Dampfturbine

Wenn der heiße Wasserdampf in die Dampfturbine strömt, treibt er seine Turbinenschaufeln an. Sie drehen sich und versetzen die Turbinenwelle dadurch in Bewegung. Auf die Weise gibt der Dampf einen Teil seiner Energie ab.

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Dampfturbine

Letztendlich ist der Dampf dann aber leicht abgekühlt und besitzt, im Gegensatz zu vorher, nur noch wenig Druck. Die geringere Energie des Dampfes ist für die Turbine nicht mehr nutzbar. Der entspannte Dampf fließt in den Kondensator.

Kondensator

Im Kondensator wird die Restwärme des Dampfes auf das Kühlwasser übertragen. Es entsteht erwärmtes Kühlwasser, weil sich der Dampf verflüssigt (Kondensation).

Der Kondensator ist hierbei die Schnittstelle zwischen dem Wasser-Dampf-Kreislauf und dem Kühlkreislauf. Er ist eine Kammer mit umfassendem Rohrleitungssystem. Durch die Rohrleitungen wird das Kühlwasser gepumpt. 

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Kühlwasserkreislauf

Das nun im Kondensator erwärmte Kühlwasser wird im Kühlturm gekühlt, indem die Wärme an die Luft abgegeben wird. So kann es erneut in den Kreislauf eingespeist bzw. eingeleitet werden. Weiteres Kühlwasser kann zusätzlich aus einem Gewässer entnommen werden.

Somit ist die erneute Dampferzeugung, durch entsprechendes Kühlwasser, gesichert und der Kreislauf geschlossen.

Generator

Die Turbine treibt über die Turbinenwelle den Generator an. Aus der mechanischen Leistung, also der Drehung, kann nun elektrischer Strom erzeugt werden. Er wird dann über den Transformator auf unterschiedliche Spannungsebenen umgewandelt.

Kohlekraftwerk Energiediagramm

Um die Nutzung und Umwandlung von Energie in einem Kohlekraftwerk grafisch darzustellen, kannst du ein sogenanntes Energieflussdiagramm  verwenden.

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Kohlekraftwerk Energiediagramm

Im Kohlekraftwerk laufen grob vier wichtige Energieumwandlungen ab:

  • Durch die Kohleverbrennung wird die chemische Energie der Kohle auf die Rauchgase übertragen. Ein kleiner Kohlerest, auch Schlacke genannt, (ca. 3%) bleibt zurück und kann nicht weiter genutzt werden.
  • Die dabei entstehende thermische Energie der heißen Rauchgase bringt Wasser zum Kochen, wodurch heißer Wasserdampf entsteht. Es bilden sich auch Abgase (ca. 5%), deren Energie nicht weiter genutzt werden kann.
  • Eine Turbine wandelt nun die thermische Energie des Wasserdampfs etwa zur Hälfte in Bewegungsenergie um. Die andere Hälfte (ca. 50%) der Energie wird als Wärme von dem Kühlwasser aufgenommen und abgeführt.
  • Ein Generator wandelt schließlich die Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Ein kleiner Teil davon (ca. 2%) wird für den Eigenbedarf des Kohlekraftwerks genutzt.

Du kannst also erkennen, dass vor allem bei dem Prozess mit der Dampfturbine viel Energie verloren geht. Insgesamt sogar ungefähr 60%.

Wirkungsgrad

Durch den Wirkungsgrad kannst du die Energieverwertung bei den Hauptprozessen des Kohlekraftwerks bestimmen.

Wie du bei dem Energieflussdiagramm siehst, entsteht bei jedem Prozess auch ein Teil nicht mehr nutzbarer Energie (Verlustenergie), wie z.B. Wärme. Wie hoch der Teil der nicht nutzbaren Energie ist, kannst du mit dem Wirkungsgrad ausdrücken. Entsteht im Kohlekraftwerk wenig Verlustenergie, dann sprichst du von einem hohen Wirkungsgrad. Je mehr Energie als Verlust entsteht, desto geringer ist der Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks beträgt ungefähr 40 Prozent. Das bedeutet, dass nur 40% der Energie, die beim Verbrennen von Kohle entsteht, als Strom genutzt werden kann. Um den Wirkungsgrad zu verbessern gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum Beispiel können sogenannte Überhitzer verwendet werden, wodurch die Temperatur des Dampfes zusätzlich erhöht wird. So kann der Dampf mit einer noch höheren Temperatur in die Tubine eintreten, die dann effizienter arbeiten kann.

Kohlekraftwerk: Vor- und Nachteile

Durch die Verbrennung von Kohle entstehen Abgase. Es wird zwar versucht die Schadstoffe weitestgehend herauszufiltern, aber dennoch ist die Umweltbelastung immens. So zählen Kohlekraftwerke in Deutschland zu den größten Verursachern von Umweltschäden.

Doch was genau sind die Nachteile und vor allem die Vorteile der Kohlekraftwerke?

Vorteile

  • Kohlestrom ist die Grundlage der deutschen Stromversorgung. 
  • Durch den kostengünstigen Braunkohleabbau, ist es eine der billigsten Arten, Strom zu erzeugen.
  • Kohle ist einer der am längsten lebenden fossilen Energieträgern auf der Welt. Die Vorräte reichen noch rund zweihundert Jahre aus.
  • Die Kohleabbauwerke bieten zahlreiche Arbeitsplätze.

Nachteile

  • Die Kohleverstromung, also die Stromerzeugung durch das Verbrennen von Kohle, erzeugt hohe CO2-Emissionen.
  • Die Braunkohle wird im Tagebau abgebaut. Für die Tagebauanlagen müssen Natur- und Wohnflächen umgesiedelt und zerstört werden.
  • Der Rohstoff Kohle ist und bleibt endlich
  • Die Steinkohle wird in Deutschland kaum noch gefördert. Dadurch entsteht eine Abhängigkeit in der Versorgung mit Steinkohle.

Kohlekraftwerk Arten

Es gibt Kohlekraftwerke für Braunkohle und für Steinkohle. Der größte Teil in Deutschland sind Steinkohlekraftwerke. Das Braunkohlekraftwerk ist nämlich nicht effizient genug.

Steinkohle hat einen dreifach so hohen Energieanteil wie Braunkohle und ist damit energiereicher. So muss mehr Braunkohle als Steinkohle im Kohlekraftwerk verbrannt werden, um die gleiche Menge an Strom zu erzeugen. Daneben ist der CO2-Ausstoß bei Steinkohle etwas geringer.

Steinkohle wird hauptsächlich im Ruhrgebiet und im Saarland abegbaut. Während Braunkohle vor allem in der Niederrheinischen Bucht, dem Mitteldeutsche Revier und dem Lausitzer Revier abgebaut wird.

Erneuerbare Energien

Doch wie sieht die Stromversorgung in der Zukunft aus? Dabei spielen Energien aus nachhaltigen Quellen eine große Rolle. Bis 2038 müssen laut Gesetz alle Kohlekraftwerke abgeschaltet werden.

Durch die enormen Auswirkungen auf den Treibhauseffekt und dem massiven Schadstoffausstoß soll in Zukunft auf die Nutzung von Kohle verzichtet werden. Der Fokus liegt jetzt auf den erneuerbaren Energien, die die Kohlekraftwerke ersetzen sollen. Das bedeutet, dass die Stromerzeugung vor allem durch Wasserkraft, Windkraft oder Sonnenenergie erfolgen soll.

Wie beispielsweise ein Wasserkraftwerk elektrischen Strom erzeugt, erklären wir dir im Video . Bis gleich!

Zum Video: Wasserkraftwerk
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