Im heutigen Tutorial wird auf den Dampfkraftprozess eingegangen. Insbesondere stehen die Wirkungsweise und das Verhalten der verschiedenen Komponenten im Vordergrund.

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2. Der Dampfkraftprozess

Pumpe, Dampferzeuger und Turbine

Die Pumpe pumpt das Wasser und erhöht damit seinen Druck. Während im Kondensator üblicherweise ein Unterdruck herrscht (also ein Druck unterhalb des Umgebungsdruckes) sorgt die Pumpe dafür, dass sich der Druck auf sehr hohe Werte erhöht (bei großen Kraftwerken sind dies mehrere 100 bar). Je höher der Druck, desto effizienter ist der Dampfkraftprozess. Allerdings stellen sehr hohe Drücke auch höhere Anforderungen an die verwendeten Materialien (z. B. für die Rohrleitungen) und führen somit zu höheren Investitionskosten.

Nach der Druckerhöhung in der Pumpe fließt das Wasser in Rohren durch die Brennkammer. In der Brennkammer werden die entsprechenden Primärenergieträger (z. B. Kohle oder Erdgas) verbrannt und dabei wird Wärme erzeugt. Das Wasser, welches durch die Brennkammer fließt, wird dabei erhitzt, bis es vollständig verdampf ist. Je nach Bauweise der Kammer wird das Wasser durch spiralförmige Rohre einmal oder mehrfach durch diese geleitet. Der entstehende Dampf sollte am Ende eine möglichst hohe Temperatur erreichen. Auch hier gilt: Je höher die Temperatur, desto höher die Effizienz des Prozesses. Zu beachten sind dabei wieder die Grenzen der eingesetzten Materialien, z. B. der Rohre und der Turbinen.

Der aus der Brennkammer kommende Dampf wird dann in eine Turbine geleitet. Hier wird dieser entspannt, der Druck nimmt ab. Dabei treibt der Dampf Schaufelräder der Turbine an, so dass die bei der Umwandlung freiwerdende (Druck-)Energie in eine Drehbewegung der Turbine umgewandelt wird.

Für die verschiedenen Druckbereiche gibt es verschiedene Turbinen, welche unterschiedlich konstruiert sind (Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen). Über eine sogenannte Welle wird die Drehbewegung der Turbinen dann auf den Generator übertragen. Die Welle ist eine Metallstange, welche Turbine und Generator fest verbindet.

Generator und Kondensator

Im Generator liegt eine Welle, an der Magneten befestigt sind (der sogenannte Rotor des  Generators). Um die Welle herum sind Spulen, also aufgewickelte Stromleiter, verteilt (diese werden als Stator bezeichnet). Durch die Drehung der Welle verändert sich das Magnetfeld, welches von den Magneten erzeugt wird und die Spulen durchdringt. Verändert sich das Magnetfeld in der Spule, so entsteht eine Spannung an deren Leitungsenden. Die Drehbewegung der Turbine wird so im Generator in elektrischen Strom umgewandelt.

Der aus der Turbine austretende Dampf (der teilweise schon wieder zu Wasser kondensiert ist) muss wieder zurück zur Pumpe geführt werden, um den Kreislauf zu schließen. Um den Dampf vollständig zu verflüssigen (kondensieren), wird er in einen Kondensator geleitet.

In diesem wird Wärme abgeführt bzw. dem Dampf entzogen, so dass er wieder zu Wasser wird. Um die Wärme abzuführen, existiert ein zweiter Wasserkreislauf, der in den Kondensator geführt wird. Die beiden Kreisläufe vermischen sich dabei nicht. Der zweite Kreislauf wird aus einer natürlichen Quelle, z. B. einem Fluss, gespeist. Je tiefer die Temperatur, bei der das Wasser kondensiert, desto geringer ist der Druck im Kondensator und desto höher ist wiederum die Effizienz des Gesamtprozesses.

Das wieder verflüssigte Wasser fließt dann wieder zur Pumpe. Es ist wichtig, dass das Wasser vollständig in flüssiger Form an der Pumpe ankommt, da ansonsten die Pumpe Schaden nehmen kann.

Die im jeweiligen Brennstoff gebundene chemische Energie bzw. die bei der Kernspaltung freiwerdende Energie wurde somit zuerst in Wärme umgewandelt. Die Wärme, die die Energieträger freisetzen, wurde danach in der Turbine in eine Drehbewegung umgewandelt. Im Generator schließlich wird aus der Drehbewegung dann Strom erzeugt.

Die Güte eines Dampfkraftprozesses wird anhand seines Wirkungsgrades bewertet, der im nächsten Tutorial genauer betrachtet wird.