Quelltext der Seite Dampfkraftwerk

{{Begriffsklärungshinweis}}
[[Datei:Kesseltragwerk.png|mini|[[Dampfkessel]] und zugehöriges Tragwerk in einem [[Kohlekraftwerk]]]]

Ein '''Dampfkraftwerk''' ist ein [[Kraftwerk]] zur [[Stromerzeugung]], bei dem die [[thermische Energie]] von Wasserdampf in einer [[Dampfturbine]] (früher auch in einer [[Dampfmaschine|Kolbendampfmaschine]]) ausgenutzt wird. Zu einem Dampfkraftwerk gehören eine Wärmequelle, ein [[Dampferzeuger]], eine Turbine mit einem Generator, und eine Einrichtung zur [[Wärmekraftwerk#Kühlung|Kondensation]] des heißen Dampfs.

[[Datei:Schema Dampfkraftwerk.PNG|mini|Schema eines Dampfkraftwerkes]]
[[Datei:Dampfkreislauf.png|mini|Prinzipschaubild eines Dampfkraftwerkes mit Zwischenüberhitzung]]
[[Datei:Wärmeschaltbild KW Staudinger.jpg|mini|Wärmeschaltbild Kraftwerk Staudinger (Großkrotzenburg am Main), Block 5]]

Die Dampfkraftwerksarten unterscheiden sich hauptsächlich nach ihrer Wärmequelle. [[Kohlekraftwerk]]e, [[Ölkraftwerk]]e und [[Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk]]e verbrennen [[fossile Brennstoffe]]. In [[Kernkraftwerk]]en wird die Hitze durch [[Kernspaltung]] erzeugt. Bei [[Erdwärmekraftwerk]]en stammt die Wärme aus dem [[Oberer Erdmantel|Oberen Erdmantel]] – der Ursprung der Erdwärme wiederum ist eine Kombination aus der [[Gravitationsenergie]] von der Formation der Erde und dem Zerfall radioaktiver Substanzen wie [[Uran]], [[Thorium]], [[Kalium#Isotope|<sup>40</sup>K]] und Mitgliedern der [[Zerfallsreihe]]n von Uran und Thorium. In den selteneren [[Sonnenwärmekraftwerk]]en stammt die Wärme von der Sonne. [[Biomassekraftwerk]]e sind üblicherweise ebenfalls als Dampfkraftwerke ausgeführt, der Primärenergieträger ist jedoch [[rezent]]e Biomasse wie beispielsweise [[Biogas]], Holz oder landwirtschaftliche Reststoffe.

== Einsatzfelder ==
Viele Dampfkraftwerke dienen ausschließlich der [[Stromerzeugung]]: Braunkohlekraftwerke und Kernkraftwerke vor allem für [[Grundlast]]; Steinkohlekraftwerke vor allem für [[Mittellast]]; [[Gaskraftwerk]]e vor allem für Spitzenlast. Gaskraftwerke lassen sich schneller anfahren und regeln als Kohlekraftwerke und sind dadurch besser für den [[Lastfolgebetrieb]] geeignet als diese.

Bei Kernkraftwerken ist der Lastfolgebetrieb oftmals unökonomisch, da die [[Fixkosten]] die variablen Kosten um Größenordnungen übersteigen. Daher gibt es Bauformen, welche von vornherein keine schnelle Steigerung der Leistung zulassen. Der [[Konvoi (Kernkraftwerk)|Konvoi]] und die französischen Kernkraftwerke sind jedoch zu relativ schnellen Änderungen der Leistung nach unten wie oben in der Lage, was im französischen Stromnetz angesichts der hohen Anteile der Kernenergie für die Netzstabilität auch erforderlich ist.<ref>https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000102277</ref> Der [[EPR (Kernkraftwerk)|EPR]] als Nachfolger der französischen Kernkraftwerke sowie des Konvoi ist zum Beispiel in der Lage pro Minute die Leistung um bis zu 5 % zu reduzieren oder steigern.<ref>https://archive.ph/20120708080626/http://aris.iaea.org/ARIS/reactors.cgi?requested_doc=report&doc_id=78&type_of_output=html</ref>

Es gibt einen gewissen Tradeoff zwischen Regelbarkeit und Effizienz. So gelten Gas- und Dampfkraftwerke als deutlich effizienter aber schlechter regelbar und finden daher eher in der Grund- und Mittellast Anwendung. Reine Gasturbinenkraftwerke sind weniger effizient dafür aber schneller regelbar. In ähnlicher Form gelten [[Siedewasserreaktor]]en als schneller regelbar als [[Druckwasserreaktor]]en.<ref>https://www.ktg.org/ktg-wAssets/docs/fg-bet-rph-lastfolgebetrieb-kki1.pdf</ref>

Prinzipiell ist unabhängig von der Wärmequelle auch die Erzeugung von [[Prozessdampf]] und [[Fernwärme]] möglich, jedoch sind je nach Bauart und Auslegung des Kraftwerks Begrenzungen der maximal möglichen Temperatur der erzeugten Prozesswärme möglich.
=== Standortwahl ===
[[Datei:PaloVerdeNuclearGeneratingStation.jpg|mini|Das [[Kernkraftwerk Palo Verde]] liegt in der Wüste im US-Bundesstaat [[Arizona]] und nutzt geklärte Abwässer der nahe gelegenen Siedlungen zur Kühlung]]
Bezüglich der Standortwahl besteht eine Abwägung zwischen Nähe zum verwendeten Primärenergieträger und Nähe zu potenziellen Abnehmern für Elektrizität bzw. Nah- und Fernwärme. Diese Abwägung hängt in erster Näherung von der [[Energiedichte]] des verwendeten Energieträgers ab – Braunkohlekraftwerke finden sich fast immer in [[Braunkohlerevier]]en, während Kernkraftwerke oft in der Nähe der Verbraucher angesiedelt sind.<ref>https://www.nature.com/articles/d41586-017-07511-2</ref> Die Verfügbarkeit von [[Kühlwasser]] ist insbesondere bei Kraftwerken großer Leistung ein wichtiger Faktor,  jedoch kann dieser Bedarf durch Verwendung von [[Kühlturm|Kühltürmen]] verringert werden.<ref>https://www.enbw.com/kuehltuerme/fragen-und-antworten/funktionsweise-der-kuehltuerme.html</ref> Weitere Gesichtspunkte sind die Vermeidung von [[Immission]]en durch Abgase in dicht besiedelten Gebieten, sowie die [[NIMBY]]-Problematik.<ref>https://www.jstor.org/stable/24881736</ref> Hierbei kam es in der Standortwahl immer wieder zu [[Umweltrassismus]].<ref>https://www.nature.com/articles/s41560-022-01162-y</ref> Eine gute Schienen-, Straßen-, oder Wasserstraßenanbindung zur Anlieferung des Energieträgers (sowie zum Abtransport von Asche, [[abgebrannter Kernbrennstoff|abgebrannten Brennelementen]] o.&nbsp;ä.) ist ebenfalls wichtig – wo diese nicht vorhanden ist, wird sie teilweise schon zu Baubeginn für die [[Baustellenlogistik]] geschaffen. Zu guter Letzt benötigen Kraftwerke auch Personal, welches wiederum Wohnungen, [[Nahversorgung]] usw. benötigt. In der Sowjetunion wurden für entsprechende Großkraftwerke [[Planstadt|neue Städte]] geschaffen, welche als ''Atomgrad'' (von ''Atom'' und {{ruS|град|grad|de=Stadt}}) bezeichnet werden<ref>https://www.herder-institut.de/en/projects/atomgrad/</ref> und von welchen die heutige [[Geisterstadt]] [[Prypjat (Stadt)|Prypjat]] die bekannteste sein dürfte.<ref>https://chernobylx.com/pripyat-the-ninth-atomgrad-next-to-the-chernobyl-nuclear-disaster/</ref><ref>https://www.atlasobscura.com/articles/chernobyl-pripyat-before-disaster</ref> Andere Atomgrads sind [[Enerhodar]] ([[Kernkraftwerk Saporischschja]]) oder [[Kurtschatow (Russland)]] ([[Kernkraftwerk Kursk]]).

== Prozessbeschreibung ==
=== Grundprozess ===
{{Stammbaum/Start |style=float:left; margin-right:1em;}}
{{Stammbaum| |,|-|-|.}}
{{Stammbaum| T1  | |!|T1=[[Dampferzeuger]]<br><small>Dampf</small>}}
{{Stammbaum| |!| | |!}}
{{Stammbaum| T2  | |!|T2=[[Dampfturbine]]<br><small>Dampf</small>}}
{{Stammbaum| |!| | |!}}
{{Stammbaum| T3  | |!|T3=[[Kondensator (Verfahrenstechnik)|Kondensator]]<br><small>Wasser</small>}}
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{{Stammbaum| T4  | |!|T4=[[Speisepumpe]]<br><small>Wasser</small>}}
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{{Stammbaum/Ende}}
Der zum Betrieb der Dampfturbine notwendige [[Wasserdampf]] wird in einem [[Dampfkessel]] aus zuvor gereinigtem und aufbereitetem Wasser erzeugt. Durch weiteres Erwärmen des Dampfes im [[Überhitzer]] nimmt die Temperatur und das [[Spezifisches Volumen|spezifische Volumen]] des Dampfes zu. Vom Dampfkessel aus strömt der Dampf über [[Rohrleitung]]en in die Dampfturbine, wo er einen Teil seiner zuvor aufgenommenen Energie als [[Bewegungsenergie]] an die Turbine abgibt. An die Turbine ist ein [[Elektrischer Generator|Generator]] angekoppelt, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Danach strömt der entspannte und abgekühlte Dampf in den [[Kondensator (Dampfturbine)|Kondensator]], wo er durch [[Wärmeübertragung]] an die Umgebung [[Kondensation|kondensiert]] und sich als flüssiges Wasser an der tiefsten Stelle des Kondensators sammelt. Über die Kondensatpumpe und den Vorwärmer hindurch wird das Wasser in einen [[Speisewasserbehälter]] zwischengespeichert und dann über die [[Speisepumpe]] erneut dem Dampfkessel zugeführt.

Wasser-Dampf-Kreisläufe in modernen Kraftwerken haben komplexe Schaltungen, um die Brennstoffenthalpie mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Leistung umzusetzen und die Kondensationsverluste so gering wie möglich zu halten. Vor allem wird ein Teil der übertragenen Wärmemenge zum Vorwärmen des Speisewassers genutzt, indem aus der Turbine Dampf aus unterschiedlichen Druckstufen bzw. Temperaturen ausgekoppelt und in Wärmetauschern zum Vorwärmen des Speisewassers kondensiert wird. In modernen Kohlekraftwerken wird das Speisewasser auf diese Weise auf bis zu über 300 °C erwärmt, bevor es dem Kessel zugeführt wird. Siehe nebenstehendes Wärmeschaltbild. Eine weitere Möglichkeit ist, die ausgekoppelte Abwärme als [[Fernwärme]] bereitzustellen.

Dampfkessel werden meist mit konventionellen Brennstoffen wie [[Öle|Öl]], [[Erdgas]], [[Steinkohle]] oder [[Braunkohle]] befeuert. Es gibt Kraftwerke, deren Hauptaufgabe die [[Müllverbrennung]] ist. Daneben werden die Dampfkessel großer Kraftwerke auch zur thermischen Entsorgung von flüssigen, brennbaren oder nicht brennbaren, Abfällen wie Öl-Wasser-Gemischen eingesetzt. Begünstigt durch Subventionen aus dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sind eine Vielzahl von [[Biomasseheizkraftwerk|Biomassedampfkesselanlagen]] errichtet worden, in denen Frisch- und Altholz als Brennstoff eingesetzt werden.

Dampfkessel können bis zu 830&nbsp;[[Kilogramm|kg]] Wasserdampf in der [[Sekunde]] erzeugen (knapp 1&nbsp;kg/s pro daraus erzeugtem MW elektrisch). Der Kondensator steht mit seiner Bauform als [[Rohrbündel]]wärmeübertrager zumeist mit einem [[Kühlturm]] in Verbindung, über den die nicht mehr nutzbare Wärme des Dampfes mit Hilfe von [[Kühlwasser]] an die Umgebung abgegeben wird. Diese Anwendung des Dampfkraftwerk-Kreislaufes zur Stromerzeugung unterliegt den Gesetzmäßigkeiten der [[Thermodynamik]], mit deren Hilfe auch eine Aussage über den [[Wirkungsgrad]] und möglichen Optimierungsschritten eines Dampfkraftwerkes gemacht werden kann. Diese Zusammenhänge können sehr anschaulich im Ts-Diagramm dargestellt werden.

=== Dampfkraftwerksprozess im T-S-Diagramm und im H-S-Diagramm ===
[[Datei:Dampfkessel im TS-Diagramm.png|mini|hochkant=2.5|Kreisprozess des Dampfkraftwerkes für verschiedene Auslegungsparameter; gelb: Dampfdruck: 50 bar / Frischdampftemperatur: 400&nbsp;°C / Kondensationstemperatur: 35&nbsp;°C / keine Zwischenüberhitzung; rosa: Dampfdruck: 150 bar / Frischdampftemperatur: 550&nbsp;°C / Kondensationstemperatur: 20&nbsp;°C / einfache Zwischenüberhitzung]]

Die Wärme <math> \delta Q </math> ist das Produkt aus der [[Entropie (Thermodynamik)|Entropiedifferenz]] und der absoluten Temperatur. Trägt man die Zustandsänderungen eines Dampfkraftwerksprozesses ([[Clausius-Rankine-Prozess]]) in dem Temperatur-Entropie-Diagramm (TS-Diagramm) ein, dann stellt die Fläche unterhalb der Kurve die zugeführte (Zustandsänderung von links nach rechts) oder abgeführte Wärme (Zustandsänderung von rechts nach links) dar.

:<math> \delta Q = {T} \sdot dS </math>

In dem Diagramm ist der Kraftwerksprozess (siehe Blockschaltbild) einmal ohne Zwischenüberhitzung ''(gelb)'' und mit Zwischenüberhitzung ''(rosa)'' dargestellt. Die Turbine wird als ideal ([[Reversibler Prozess|reversible]] Zustandsänderung) angenommen.

Die Eckpunkte des Kreisprozesses bezeichnen folgende Zustandsänderungen:

* 1–2: Druckerhöhung des [[Speisewasser]]s
* 2–3: [[Isobare Zustandsänderung|isobare]] Erwärmung des Speisewassers auf die Siedetemperatur
* 3–4: [[Isobare Zustandsänderung|isobare]] Verdampfung
* 4–5: Überhitzung
* 5–6: Entspannung an der [[Turbine]]
* 6–1: [[Kondensation]]

nur Prozess mit Zwischenüberhitzung ''(rosa)'':

* 5–5a: Entspannung an der Hochdruckturbine
* 5a–5b: Zwischenüberhitzung
* 5b–6: Entspannung an der ND-Turbine (ND = Niederdruck)

In dem Diagramm kann die spezifische zugeführte und abgeführte Wärme (bezogen auf 1&nbsp;kg Wasser) für die jeweiligen Prozessparameter als Fläche unterhalb der Kurve abgelesen werden. Unter Vernachlässigung der zugeführten technischen Arbeit an der Speisewasserpumpe, der Vernachlässigung von Wärmeverlusten und der Annahme einer idealen Turbine (reversible Entspannung) tritt folgender Enthalpieaustausch zwischen den Systemgrenzen des Kraftwerks und der Umgebung auf:

:<math> Q_\text{Brennstoff} = Q_\text{Kondensation} + Q_\text{Abgas} + W_\text{technisch} </math>

Die im Brennstoff enthaltene chemische [[Enthalpie]] wird umgesetzt in die technische Arbeit an der Turbinenwelle und die Abwärme im Rauchgas, sowie die Abwärme, die über den Kondensator abzuführen ist. Die schraffierten Flächen in dem Diagramm beschreiben die abzuführende [[Kondensationsenthalpie]]. Die nutzbare technische Arbeit wird durch die einfarbigen Flächen dargestellt. Der Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses kann abgeleitet werden aus:

: <math> \eta = \frac{Q_\text{Brennstoff} - Q_\text{Kondensation} - Q_\text{Abgas}}{Q_\text{Brennstoff}}. </math>
[[Datei:KW Staudinger h-s-Dia.jpg|mini|hochkant=2.5|Turbinenprozess des Kraftwerks Staudinger (Block 5) im h-s-Diagramm. Das Bild zeigt den realen Verlauf der adiabaten Expansion vor und nach der Zwischenüberhitzung (rote Linien), der auf Grund von Reibungs-, Stoß- und Drosselverlusten nicht isentrop ist.]]

[[Datei:T-s-Dia Staudinger.JPG|mini|hochkant=2.5|Kreisprozess des Kraftwerks Staudinger (Block 5) im T-s-Diagramm. Die roten Kringel auf der linken Seite markieren die Vorwärmstufen des Speisewassers, auf der rechten Seite die Entnahmen, von denen einige zusätzlich durch die zugehörigen Isobaren gekennzeichnet sind. Deutlich sichtbar wird in diesem Diagramm, dass es sich um eine [[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|überkritische Anlage]] handelt (der Prozess führt nicht durch das Nassdampfgebiet). Durch die beiden Isobaren für 300 bar und 255 bar wird der Druckverlust im Kessel hervorgehoben.]]
Der Wirkungsgrad kann auf Grund des [[Thermodynamik#Zweiter Hauptsatz|Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik]] den [[Carnot-Prozess|Carnot-Wirkungsgrad]] nicht überschreiten. Der Carnot-Wirkungsgrad wird aus den mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und der Wärmeabfuhr eines Prozesses gebildet. Beim Dampfkraftwerkskreislauf sind dies die gemittelte Wasser-Dampf-Temperatur im Kessel und die Kondensationstemperatur (wenn – wie oben geschehen – allein der Wasserkreislauf betrachtet wird) oder die gemittelte Rauchgastemperatur und die Umgebungstemperatur (wenn die Wärmeübertragung in die Bilanz mit einbezogen wird). Anhand des Diagramms kann der Wirkungsgrad des Prozesses berechnet werden, und es können Maßnahmen für eine Wirkungsgradoptimierung grafisch abgeleitet werden:
* Erhöhung des Dampfdruckes,
* Erhöhung der Frischdampftemperatur (FD-Temperatur)
* niedrige Kondensationstemperatur.

Die Zwischenüberhitzung (ZÜ) erhöht den Wirkungsgrad über die höhere mittlere Temperatur der Wärmezufuhr. Sie ist bei höheren Dampfdrücken sogar unverzichtbar, weil damit Erosion an den Schaufeln des „kalten Endes“ (letzte Schaufeln im Niederdruckteil) infolge zu hoher Dampfnässe vermieden wird. Der zulässige Anteil flüssigen Wassers im Abdampf liegt bei etwa 10 % (Dampfanteil x = 0,9).

== Wirkungsgrad ==
Die theoretische Beschreibung des Dampfkraftprozesses erfolgt mit dem [[Rankine-Zyklus]].

Der [[Wirkungsgrad]] eines Dampfkraftwerkes hängt von den Ecktemperaturen ab, die der Dampf durchläuft. Eine weitere Optimierung ist möglich, wenn versucht wird, den realen Prozess durch Zwischenüberhitzung (evtl. mehrmals) und regenerative [[Speisewasservorwärmer|Speisewasservorwärmung]] (Dampfentnahmen aus der Turbine) so weit wie möglich dem [[Carnot-Prozess]] anzunähern.

Mit der mittleren Temperatur der Wärmezufuhr, die sich aus den Ecktemperaturen des Prozesses (Speisewassereintritt, FD, ZÜ und Kondensation) ergibt, kann Brennstoff eingespart werden, da zum Erwärmen bzw. Verdampfen einer vorgewärmten Flüssigkeit weniger Brennstoff verwendet werden muss, siehe [[Carnotisierung]].

[[Datei:Kraftwerkwirkungsgrad.jpg|mini|hochkant=2.5|Entwicklung des mechanischen bzw. elektrischen [[Wirkungsgrad]]es von Dampfkraftwerken bzw. mechanischen Antrieben]]

:<math>\eta_c = 1 - \frac{T_\mathrm{k}}{T_\mathrm{m,zu}} </math>

mit:

:<math> T_\mathrm{m,zu} </math> : absolute mittlere Temperatur der Wärmezufuhr in K

:<math> T_\mathrm{k} </math> : absolute Kondensationstemperatur in K

Für Dampfkraftprozesse aus der Entwicklungsgeschichte können folgende Carnot-Wirkungsgrade abgeleitet werden: Newcomen (Sattdampfprozess ohne regenerative Speisewasservorwärmung 100&nbsp;°C / 30&nbsp;°C): <math>\eta_c= 18{,}7\,\% </math>; Dampfkraftwerk um 1900 (10&nbsp;bar, 350&nbsp;°C / 30&nbsp;°C, mit idealer regenerativer Vorwärmung): <math>\eta_c= 34{,}6\,\% </math>; Modernes Dampfkraftwerk mit Zwischenüberhitzung gemäß Wärmeschaltbild (256 bar, 543&nbsp;°C / 562&nbsp;°C / 18&nbsp;°C, Vorwärmung auf 276&nbsp;°C): <math>\eta_c= 53\,\% </math>. Die tatsächlich erreichbaren Wirkungsgrade liegen deutlich niedriger.

Die Frischdampftemperatur lässt sich durch die Auslegung des Dampferzeugers beeinflussen. Eine weitere Steigerung der Temperatur am [[Überhitzer]] als Heizfläche mit der höchsten Temperatur lässt sich nur noch in kleinen Schritten umsetzen. Eine Frischdampftemperatur von 600&nbsp;°C stellt derzeit die technische und betriebswirtschaftliche Grenze dar, da bei weiterer Steigerung der Überhitzer nicht mehr aus (teuren) [[Austenit (Phase)|austenitischen]] [[Edelstahl|Stählen]] hergestellt werden könnte, sondern aus Werkstoffen auf Nickel-Basislegierungen, die extrem teuer sind. Derartige Großversuche laufen zurzeit; die dabei entstehenden Temperaturen von über 700&nbsp;°C lassen die beteiligten Anlagenteile wie [[Rohrleitung]]en und [[Armatur]]en bereits sichtbar [[Glut (Lichtausstrahlung)|glühen]].

Die Dampftemperatur am Austritt der ND-[[Kondensationsturbine]] wird durch den Kondensatordruck bestimmt, der möglichst niedrig liegen sollte. Die niedrigsten Kondensationsdrücke werden durch Wasserkühlung in einem Rohrbündelwärmeübertrager erreicht. In diesem Fall muss das Kraftwerk an einem Fluss, dem Wasser zu Kühlzwecken entnommen werden kann, errichtet sein. Die Einleittemperatur bei der Rückführung des Kühlwassers ist allerdings begrenzt. So kann es an heißen Sommertagen mit geringem Wasserstand im Gewässer vorkommen, dass die Kraftwerksleistung zurückgenommen werden muss. Die Rohrbündel des [[Kondensator (Dampfturbine)|Kondensators]] verschmutzen durch [[Algen]]wachstum und Salzablagerungen und verschlechtern den Wärmeübergang auf der Kühlwasserseite. Die Rohre müssen deshalb gereinigt werden, wobei beispielsweise das [[Taprogge-Verfahren]] verwendet wird.

Eine niedrige Kondensationstemperatur wird auch bei der Verdunstungskühlung in Kühltürmen erreicht. Durch das Versprühen von Wasser und der eintretenden [[Verdunstung]] erfolgt eine [[Sättigung (Physik)|Sättigung]] der Luft, so dass die Luft wegen der Abgabe der [[Verdampfungsenthalpie]] zusätzlich gekühlt wird. Auf diese Weise können niedrigere Kondensationstemperaturen erreicht werden. Bei der Verwendung von [[Luftkondensator]]en (LuKo) liegen die Kondensationstemperaturen höher, da der [[Wärmeübergang]] zur Luft ohne Unterstützung durch Verdunstung schlechter ist. Die Kondensationstemperaturen liegen je nach Verfahren und Jahreszeit zwischen 25&nbsp;°C und 40&nbsp;°C, die entsprechenden Kondensationsdrücke mit 0,026 bis 0,068 bar, so dass der Kondensator immer auf Vakuum gefahren wird.

Moderne Steinkohle-Dampfkraftwerke haben einen Wirkungsgrad von bis zu 46 % (Braunkohle 43 %). Das heißt: Der größte Teil der eingesetzten Energie in Form von Wärme können zurzeit technisch nicht genutzt werden und gehen – hauptsächlich über den Kühlturm – verloren. Unterstellt man bei einer technisch realisierbaren Überhitzung von 700&nbsp;°C eine Wärmezufuhr ausschließlich bei dieser Temperatur (was unrealistisch ist), so erreichte der Vergleichs-[[Carnot-Prozess]] einen Wirkungsgrad von 70 %. Der Abwärmeverlust von 30 % wäre dann physikalisch bedingt und könnte technisch nicht unterschritten werden. Das angestrebte Ziel vieler Firmen ist die 50-%-Marke, welche vor allem durch das Erhöhen der Temperatur erreicht werden soll.<ref>[http://www.siemens.com/innovation/de/publikationen/zeitschriften_pictures_of_the_future/pof_fruehjahr_2008/energie/effiziente_kraftwerke.htm ''Pictures of the Future Frühjahr 2008, Energie für Milliarden: Hocheffiziente Kohlekraftwerke.''] Siemens AG, abgerufen am 29. Oktober 2014, 22:05</ref>

Neben möglichst hohen Eintrittstemperaturen des Frischdampfes, möglichst niedrigen Austrittstemperaturen des Abdampfes und der zweifachen [[Überhitzer|Zwischenüberhitzung]] des Turbinendampfes spielt zur Verbesserung des Wirkungsgrades auch die ''regenerative Speisewasservorwärmung'' eine Rolle. Mit diesem Verfahren wird das [[Speisewasser]] mit Anzapfdampf aus der Dampfturbine vorgewärmt, bevor es in den Dampferzeuger zurückgeführt wird. In der Praxis werden bis zu sechs Turbinenanzapfungen vorgesehen; auf diese Weise vermeidet man die Mischung des kalten Speisewassers mit dem auf Verdampfungstemperatur stehenden Wasserinhalt des Dampferzeugers, womit eine deutliche Einsparung an [[Brennstoff]] einhergeht.

Nach der vom Bundesministerium für Wirtschaft in Auftrag gegebenen COORETEC-Studie können diese heutigen Wirkungsgrade vom Dampfkraftwerksprozessen durch konsequente Weiterentwicklung bis 2010 auf ca. 51 Prozent gesteigert werden und ab 2020 werden noch höhere Wirkungsgrade erwartet.<ref>[http://www.cooretec.de/index.php/index.php?path=publikationen&file=35 ''Forschungs- und Entwicklungskonzept für emissionsarme fossil befeuerte Kraftwerke.''] Seite V, abgerufen am 12. Februar 2011</ref>

== Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ==
Die Nutzung der eingesetzten [[Primärenergie]] kann durch eine so genannte [[Kraft-Wärme-Kopplung]] verbessert werden. Die Turbine wird mit Gegendruck gefahren oder es wird eine Turbinenanzapfung eingerichtet, um Dampf bei einer für Wärmezwecke zur Erzeugung von [[Nahwärme|Nah-]] oder [[Fernwärme]] geeigneten Temperatur (z. B. 100&nbsp;°C / Druck = 1 bar (abs)) auszukoppeln. Durch den höheren [[Abdampfdruck]] sinkt der Wirkungsgrad der Stromerzeugung (kleinerer [[Carnot-Prozess|Carnotfaktor]] der zugeführten Verbrennungswärme). In der Summe werden beträchtliche Einsparungen an Primärenergie erzielt. Die Abnehmer der Fernwärme haben den Vorteil, dass sie zum Heizen nicht die exergetisch wertvollere (und teurere) Primärenergie (Brennstoff) nutzen müssen. Dampfkraftwerke ohne Kraft-Wärme-Kopplung werden als [[Kondensationskraftwerk]]e bezeichnet.

Der Grund für die reduzierten [[Exergie]]verluste durch KWK ist der geringe exergetische Anteil der Wärme.

Der Wirkungsgrad, der bei der Erzeugung von elektrischem Strom aus dem Einsatzbrennstoff erzielt wird, darf nicht mit dem thermischen Nutzungsgrad der Wärme aus dem Einsatzbrennstoff verwechselt werden.

Ein im Vergleich zur Verfeuerung von Brennstoff zum Verdampfen des Wassers wesentlich höherer Wirkungsgrad der Stromerzeugung kann durch die Nutzung von heißem Abgas aus einer Gasturbine erreicht werden. Solche aus Gas- und Dampfturbine bestehenden Kraftwerke nennt man Kombi-Kraftwerke oder auch [[GuD]]-Kraftwerke (Gas- und Dampf-Kraftwerke). Auch diese Anlagen werden als [[Heizkraftwerk]]e (KWK) betrieben.

== Weiterentwicklungen ==
In der Vergangenheit wurden immer wieder Überlegungen angestellt, das [[Arbeitsmittel]] Wasser durch andere verdampfende Stoffe im Dampfkraftwerk zu ergänzen. In erster Linie ist das Metall [[Quecksilber]] zu nennen, das in einem eigenen Dampfkreislauf zirkuliert, in einer eigenen [[Dampfturbine]] expandiert und danach seine [[Kondensationsenthalpie]] in einem eigenen Kondensator an einen Wasserdampfkreislauf abgibt. Die höchsten Werte für den Quecksilberdampfkreislauf betrugen bei den ab 1914 in den [[USA]] ausgeführten Anlagen 10&nbsp;[[Bar (Einheit)|bar]] und 500&nbsp;°C.

Weiterhin wurden um 1980 Studien in Auftrag gegeben, die in analoger Weise Drei-Kreis-Systeme aus [[dampf]]förmigem [[Kalium]], [[Diphenyl]] und Wasser beinhalteten. Jedes dieser Arbeitsmittel wirkt dabei auf eine eigene Dampfturbine. Trotz hoher Wirkungsgrade derartiger Prozesse hat man bislang wegen der hohen [[Kosten]] auf die Ausführung eines solchen Dampfkraftwerkes verzichtet.

Neue Bedeutung gewannen alternative Arbeitsmittel durch [[Geothermie]]-Kraftwerke, weil dort nur selten Temperaturniveaus über 150&nbsp;°C zur Verfügung stehen.

Auch [[superkritisch]]e Fluide wie [[superkritisches Wasser]] und [[superkritisches Kohlendioxid]] werden gelegentlich als Arbeitsfluid vorgeschlagen. Neben dem benötigten hohen Druck (mindestens Überschreiten des [[kritischer Druck|kritischen Drucks]]) sind hierbei auch Probleme der Korrosion bisher ungelöst, da das chemische Verhalten von superkritischen Fluiden sich oft signifikant von derselben Substanz als Gas oder Flüssigkeit unterscheidet.<ref>https://www.energy.gov/sites/prod/files/2015/01/f19/NEACsCO2BraytonBrief.pdf</ref><ref>http://oa.upm.es/44000/1/Paper_8_ECRES_2016.pdf</ref> Genau diese Eigenschaft von superkritischem CO<sub>2</sub> wird in anderen technischen Prozessen wie zum Beispiel der [[Entkoffeinierung]] von Kaffee genutzt.<ref>https://www.aidic.it/eff2017/program/55demarco.pdf</ref> Bei der Verwendung von superkritischem CO<sub>2</sub> gibt es dabei auch Vorschläge das bei der Verbrennung entstehende CO<sub>2</sub> als Teil des Arbeitsfluids zu nutzen.<ref>https://www.powermag.com/what-are-supercritical-co2-power-cycles/</ref>

== Siehe auch ==
* [[Wärmekraftwerk]]
* [[Biomassekraftwerk]]
* [[Rankine-Zyklus]]

== Literatur ==
* Adolf J. Schwab: ''Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie''. Springer Verlag, 2006, ISBN 3-540-29664-6.

== Weblinks ==
* [http://www.cooretec.de/index.php COORETEC Initiative]
* [http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm Lexikon Verband der Elektrizitätswirtschaft – VDEW- e.&nbsp;V.]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4010988-4}}

[[Kategorie:Kraftwerkstyp]]
[[Kategorie:Dampftechnik]]

[[pt:Central termoelétrica]]