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Kohlekraftwerk,

 

Energietechnik: ein Wärmekraftwerk zur Elektrizitäts- und gegebenenfalls Wärmeerzeugung, bei dem die zur Dampferzeugung notwendige thermische Energie durch Verbrennen von Stein- und Braunkohle gewonnen wird. Konventionelle Kohlekraftwerke bestehen im Wesentlichen aus Kohleaufbereitungs- und Mahlanlage, einem Dampferzeuger (Kessel) mit angeschlossenem Maschinenhaus mit Turbine und Generator, den Rauchgasreinigungsanlagen (Entschwefelungs-, Entstickungs- und Entstaubungsanlagen, Schornstein), meist einem Kühlturm sowie dem Brennstofflager (Kohlebunker, Kohlelagerplatz). Die Art der Verbrennung ist sehr unterschiedlich, sie hängt insbesondere stark von der Kohleart und -qualität ab. Man unterscheidet im Wesentlichen Rostfeuerung, Wirbelschichtfeuerung und die in Großkraftwerken ausschließlich eingesetzte Staubfeuerung (Trockenfeuerung, Schmelzfeuerung). Bei Letzterer wird der Kohlenstaub mit der Verbrennungsluft in den Brennraum eingeblasen und bei Temperaturen zwischen 1 100 und 1 500 ºC verbrannt. Bei der Trockenfeuerung fällt die Asche staubförmig an und wird durch Elektrofilter aus dem Rauchgas entfernt. Bei der Schmelzfeuerung wird durch die sehr hohen Temperaturen die Asche verflüssigt und durch Abkühlung als granulierte Schlacke unter dem Dampfkessel abgezogen. Die im Dampferzeuger gewonnene thermische Energie wird von den heißen Rauchgasen an den Wasser-Dampf-Kreislauf übertragen. Zunehmendes Interesse hat in den letzten Jahren die Wirbelschichtfeuerung gefunden. Dabei wird gebrochene Kohle höherer Korngröße durch aufwärts gerichtete starke Luftströme über einem Düsenboden (Wirbelbett) in einen Schwebezustand versetzt. Durch die ständige Bewegung der Kohlepartikel und deren lange Verweildauer im Feuerraum erfolgt die Verbrennung bereits bei Temperaturen um 850 ºC. Dadurch wird die thermische Stickoxidbildung unterbunden, sodass Kohlekraftwerke mit Wirbelschichtfeuerung keine nachgeschalteten Entstickungsanlagen benötigen. Da außerdem durch Zugabe von Kalk zur Kohle eine direkte Entschwefelung der Rauchgase möglich ist, entfallen auch zusätzliche Entschwefelungsanlagen. Kohlekraftwerke mit »stationärer« Wirbelschichtfeuerung werden mit 0,5-200-MW-Turbinen in der Regel im unteren Leistungsbereich als Industrie- und Heizkraftwerke gebaut. Eine Weiterentwicklung ist die zirkulierende Wirbelschichtfeuerung: Die mit dem Rauchgas mitgerissenen noch brennbaren Kohlepartikel werden über Zyklone ausgetragen und wieder der Verbrennung zugeführt. Kohlekraftwerke mit dieser Feuerung werden mit 30-500-MW-Turbinen als Industrie- und Heizkraftwerke ausgerüstet. Mit der Wirbelschichtfeuerung unter Druck (druckaufgeladene Wirbelschichtfeuerung) erhofft man sich weitere Fortschritte. Mit dem Heizkraftwerk Cottbus ist Ende der 90er-Jahre eine der modernsten Anlagen der Welt in Betrieb gegangen. Kohlekraftwerke mit stationärer druckaufgeladener Wirbelschichtfeuerung können bis zu einer Leistung von 1 000 MW (auch als Heizkraftwerke) gebaut werden. In der Entwicklung befinden sich Kohlekraftwerke mit zirkulierender druckaufgeladener Wirbelschichtfeuerung. Bei der (allerdings zeitlich beschränkten) gleichzeitigen Erzeugung von Elektrizität und Fernwärme beziehungsweise industrieller Prozesswärme sind Nutzungsgrade von 80 bis 85 % der eingesetzten Primärenergie möglich (Kraft-Wärme-Kopplung).

 

Die heute in Betrieb befindlichen konventionellen Kohlekraftwerke mit Wasser-Dampf-Kreislauf und einfacher Zwischenüberhitzung können unter Berücksichtigung der Aufwendungen für Entschwefelungs- und Entstickungsanlagen Nettowirkungsgrade von rd. 40 % erreichen. Ältere Anlagen liegen zum Teil deutlich darunter. Mit optimierter Anlagentechnik sind heute aufgrund der Verfügbarkeit hochtemperaturfester Werkstoffe höhere Dampfparameter (700 ºC / 300 bar) realisierbar, die zu elektrischen Wirkungsgraden von 47 % (Steinkohle) beziehungsweise 44 % (Braunkohle) führen. Mit dem Kraftwerk Niederaußen (nahe Garzweiler) befindet sich eine derartige Anlage im rheinischen Braunkohlerevier derzeit im Bau. Einen auf 48 -50 % verbesserten Wirkungsgrad erwartet man von dem Gas-und-Dampf-Kraftwerk (GUD) mit integrierter Kohlevergasung, bei dem die heißen Abgase einer mit zuvor gereinigtem Kohlegas betriebenen Gasturbine zur Erzeugung von Frischdampf für eine nachgeschaltete Dampfturbine dienen (Kohlevergasungskraftwerk). Im April 1993 wurde im niederländischen Buggenum (Provinz Limburg) das mit einer elektrischen Leistung von 253 MW europaweit größte Kraftwerk dieser Art zu Versuchszwecken in Betrieb genommen. Der Kohlevergaser arbeitet nach einem vom Unternehmen Shell entwickelten Verfahren. Mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 43 % erreicht es den Wert moderner konventionell befeuerter Steinkohlekraftwerke. Aufgrund des Energieaufwands für die Kohlevergasung wird der Wirkungsgrad aber immer unter dem eines erdgasbefeuerten Gas- und Dampfturbinenkraftwerks liegen (Gasturbinenkraftwerk). Der Vorteil des Kohlevergasungskraftwerks besteht im Vergleich zum konventionellen Kohlekraftwerk v. a. in dem noch ausschöpfbaren Potenzial für eine Wirkungsgradsteigerung von deutlich über 50 % und der Nutzbarkeit der aus der Vergasung resultierenden Synthesegase zu anderen Zwecken (z. B. CO₂, H₂ für die chemische Industrie). Nachteilig sind hingegen die höheren Investitionskosten.

 

In Puertollano (Spanien) ist 1998 ein weiteres, von der Europäischen Union gefördertes Kohlevergasungskraftwerk auf Steinkohlebasis mit einer elektrischen Leistung von 305 MW in Betrieb gegangen, an dem mehrere deutsche Unternehmen beteiligt sind und das zur Kohlevergasung das Prenflo-Verfahren einsetzt. Die bisherigen Betriebsergabnisse der beiden Demonstrationsanlagen sind vielversprechend.

 

Eine weitere Entwicklunglinie der Kohlekraftwerkstechnik ist die Druckkohlenstaubfeuerung. Dabei werden die heißen Rauchgase soweit gereinigt, dass sie einem nachgeschalteten Gas- und Dampfturbinenprozess direkt zugeführt werden können. Eine erste Pilotanlage mit einer Leistung von 1 MW steht in Dorsten. Unter der Voraussetzung, dass die wesentlichen Entwicklungserfordernisse gelöst werden können (v. a. die Heißgasentstaubung) beträgt das Wirkungsgradpotenzial über 50 %.

 

Während die Rauchgasreinigungsanlagen eine Entstaubung, Entstickung und Entschwefelung der Rauchgase erlauben, gibt es bisher keine großtechnische Möglichkeit, das bei der Verbrennung der Kohle entstehende Kohlendioxid (CO₂) mit einem vertretbaren Energieaufwand abzuscheiden, das als Hauptursache für den Treibhauseffekt angesehen wird. Die Erzeugung einer Kilowattstunde Elektrizität in Kohlekraftwerken führt je nach Technik zu einer Emission von 0,67-0,95 kg CO₂ (Steinkohle) und 0,78-1,1 kg CO₂ (Braunkohle).

 

Steinkohlekraftwerke sind teilweise auch mit Verbrennungseinrichtungen für Erdöl und Erdgas ausgerüstet. Man spricht dann von bi- oder trivalenten Feuerungen beziehungsweise von Steinkohle-Mischfeuerungs-Kraftwerken. Prinzipiell können auch Biomasse und Müll mit verbrannt werden.

 

Die gesamte installierte Bruttoengpassleistung aller Steinkohlekraftwerke (einschließlich aller Steinkohle-Mischfeuerungs-Kraftwerke) in Deutschland belief sich 1998 auf: Kraftwerke der öffentlichen Elektrizitätsversorgung 28 476 MW, des Bergbaus und verarbeitenden Gewerbes 3 894 MW, der Deutschen Bahn AG 643 MW. Die entsprechenden Werte für die Braunkohlekraftwerke sind: Werke der öffentlichen Elektrizitätsversorgung 19 726 MW, des Bergbaus und des verarbeitenden Gewerbes 846 MW.

 

Die Elektrizitätserzeugung durch Steinkohle betrug 1998 insgesamt etwa 153,4 TWh, durch Braunkohle etwa 139,4 TWh, bei einer gesamten Elektrizitätserzeugung von 553,4 TWh. - Zur Erzeugung von 1 kWh Strom werden heute 0,35 kg Steinkohle oder 1,2 kg Braunkohle benötigt.