Turbine: Maschine zur Erzeugung mechanischer Energie

Turbine: Maschine zur Erzeugung mechanischer Energie

 

Dampfturbinen sind die »Arbeitstiere« der Stromerzeugung. Mit ihrer Hilfe wird etwa 90 % des Strombedarfs gedeckt. In Kohle- und Kernkraftwerken setzen sie die in Brenner und Kessel erzeugte thermische Energie in mechanische zum Betrieb der Generatoren um, welche die Drehbewegung fast vollständig in elektrische Energie umwandeln.

 

 Dampfturbinen

 

Vom Prinzip her sind Dampfturbinen mit Dampfmaschinen verwandt. Allerdings verfügen sie statt über einen Kolben über ein Schaufelrad, wodurch nicht das Auf und Ab eines Kolbens in eine Kreisbewegung umgesetzt werden muss. Der heiße Dampf strömt die Schaufeln an und lässt sie direkt rotieren. Ein zweiter Vorteil beruht auf den hohen Drücken und Temperaturen, denen man eine Dampfturbine aussetzen kann; sie ermöglichen einen hohen Carnot-Wirkungsgrad. Der Carnot-Wirkungsgrad gibt den theoretisch maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine an und hängt theoretisch nur von der Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Maschine ab. Der eigentliche Wirkungsgrad liegt wegen der Verluste darunter.

 

Eine Dampfturbine setzt sich zusammen aus Laufrädern auf der Turbinenwelle und fest stehenden Leiträdern (Düsen), die aus Schaufeln bestehen. Der Dampf durchströmt die Turbine längs der Läuferachse. Er strömt erst durch das Leitrad, in dem er umgelenkt und durch die Druckerniedrigung beschleunigt wird, Anschließend kommt er auf das Laufrad, wo seine kinetische Energie in mechanische umgewandelt wird, wodurch sich seine Geschwindigkeit verringert. Moderne Dampfturbinen haben mehrere Druckstufen, in denen sich der Dampf nacheinander entspannt. Aus dem Überhitzer des Feuerraums gelangt der Dampf mit einem Druck von 160-180 bar und einer Temperatur von rund 540 ºC zunächst in den Hochdruckteil der Turbine. Dort wird er, je nach Auslegung der Anlage, auf etwa 40 bar abgebaut und danach in den Mitteldruckteil weitergeleitet. Diesen verlässt er dann mit rund 10 bar, um im anschließenden Niederdruckteil bis etwa 0,04 bar entspannt zu werden.

 

 Gasturbinen

 

Zwar werden Gasturbinen meist mit Erdgas betrieben; der Name verweist aber auf das Funktionsprinzip, bei dem die Verbrennungsgase eine wichtige Rolle spielen. Zunächst komprimiert ein Verdichter Luft auf einige bar, die danach in einer Brennkammer erhitzt wird. Das Gemisch aus Luft und Verbrennungsgasen dehnt sich aus und dreht eine Turbine. Da rund zwei Drittel der erzeugten Leistung allein schon zum Antrieb des Verdichters nötigt werden, liegt der Wirkungsgrad bei etwa 33 %. Der Wirkungsgrad lässt sich allerdings steigern, indem man die heißen Gase nach Verlassen der Turbine dazu nutzt, die verdichtete Luft vor der Verbrennung in einem Wärmetauscher (Rekuperator) vorzuwärmen.

 

Gasturbinenprozesse sind in der Regel offene Kreisläufe, d. h., die Luft wird aus der Umgebung vom Verdichter angesaugt und nach Durchströmen der Turbine wieder an sie abgegeben. Vom technischen Prinzip ist die Gasturbine mit dem Flugzeugstrahltriebwerk verwandt. Sie ist aber einfacher gebaut, braucht jedoch mehr Zeit, um auf volle Leistung zu kommen. In Kraftwerken erzeugen Gasturbinen Strom, früher vornehmlich für die Spitzenlast, heute zunehmend auch für die Grundlast. Das hat vor allem ökonomische Gründe: Solche Anlagen sind in zwei Jahren zu planen und zu bauen, und sie sind um gut die Hälfte billiger als andere thermische Kraftwerke.

 

 Kombiprozesse

 

Gasturbinen können auch für rationellen Energieeinsatz interessant sein, wenn man sie mit einer Dampfturbine kombiniert. Dann fallen die prinzipiellen Nachteile der Gasturbine nicht so ins Gewicht. Denn obwohl sie mit 1100 ºC hohe Gastemperaturen aufweist, sind die Abgastemperaturen von 500 ºC ebenfalls sehr hoch, was für den Wirkungsgrad ungünstig ist.

 

Beim Kombiprozess nutzt man die heißen Abgase dazu, in einem Wärmetauscher Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine zu erzeugen. Beide Turbinen treiben Generatoren an, wodurch der Wirkungsgrad der Stromerzeugung auf mehr als 50 % gesteigert werden kann. Legt man die Anlage als Heizkraftwerk aus, entnimmt also einen Teil der Wärme für Heizzwecke, dann ist sogar ein Gesamtwirkungsgrad von 85 % und mehr zu erreichen.

 

Im Vergleich zu der getrennten Erzeugung gleicher Mengen an Strom durch Gas- und Dampfturbinen benötigen Kombiprozesse weniger Brennstoff wodurch sie also wesentlich ökonomischer arbeiten. Weil sie deshalb bei gleicher Stromerzeugung auch weniger Schadstoffe freisetzen, sind sie zudem ökologisch günstiger, und dies umso mehr, da derzeit in Kombikraftwerken meist Erdgas verfeuert wird.