Warum ist der elektrische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken in der Regel niedriger als der von Kohlekraftwerken?


Eberhard WagnerVon Eberhard Wagner
 (Lebenslauf)

Sowohl Kernkraftwerke als auch Kohlekraftwerke sind Wärmekraftwerke. In ihnen wird zunächst Wärme erzeugt – in den Kohlekraftwerken durch Verbrennung, in den Kernkraftwerken durch Kernspaltungen. Die Wärme in Form von Wasserdampf wird dann in Turbinen in mechanische Arbeit (Energie) und danach in Generatoren in Strom umgewandelt. Der sog. elektrische Wirkungsgrad von Kraftwerken ist ein Maß für die Güte der Energieumwandlung. Er ist das Verhältnis aus der Ziel-Energiemenge, also Elektrizität, und der eingebrachten Energiemenge in Form von Brennstoff. Der Wert ist immer kleiner als Eins bzw. 100 Prozent (%).

Der theoretisch erreichbare höchstmögliche Wirkungsgrad eines Wärmekraftwerkes ergibt sich grundsätzlich aus dem Verhältnis aus der Temperaturdifferenz des Dampfes – Anfangstemperatur minus Endtemperatur an einer Dampfturbine – und der Dampftemperatur am Eingang in die Turbine; jeweils gemessen im absoluten Temperaturmaß „Kelvin“. Der erreichbare Wirkungsgrad hängt entscheidend von der höchsten realisierbaren Dampftemperatur ab.

Der Bau von Dampfmaschinen, Dampfturbinen und auch Gasturbinen war seit Anbeginn von einem fortwährenden Ingenieur-Kampf um höhere Temperaturen und damit höhere Wirkungsgrade (anfangs betrugen diese nur rd. 3 %) begleitet. Dieses Bemühen ist nicht abgeschlossen. Höhere Temperaturen setzen hochwarmefeste Materialien voraus (hoch legierte Stähle, die nicht einfach zu verarbeiten und natürlich auch sehr teuer sind). Letztlich werden die Kraftwerks-Daten (Auslegung) aus einer wirtschaftlichen Gesamtoptimierung festgelegt.

Bei neuen Kohlekraftwerken werden derzeit höchste Dampftemperaturen von etwa 600 Grad Celsius erreicht. Damit können reale Wirkungsgrade von etwa 45 % erzielt werden. Im Durchschnitt erreichen alle fossil befeuerten thermischen Kraftwerke in Deutschland einen Wirkungsgrad von derzeit fast 41 %. (siehe auch: AG-Energiebilanzen.de)

Bei Kernkraftwerken kommt eine Besonderheit hinzu. Die Materialien im Bereich des Reaktorkerns sind den Belastungen durch ionisierende Strahlen ausgesetzt. Vor allem zur Erleichterung der Kettenreaktion (Kernspaltung) sollen nur möglichst wenige Neutronen „eingefangen“ werden. Diese Bedingungen führen zu einer Begrenzung der höchsten Dampftemperatur. Die Leichtwasserreaktoren (alle deutschen Kernkraftwerke arbeiten nach diesem Prinzip) haben eine Dampftemperatur am Turbineneintritt von etwa 330 Grad Celsius; es werden Wirkungsgrade von etwa 35 % erzielt. Kernkraftwerke haben deshalb in der Regel einen niedrigeren Wirkungsgrad als Kohlekraftwerke, eben weil sich beim derzeitigen Stand der Technik bei ihnen ein gesamtwirtschaftliches Optimum bei niedrigeren Dampftemperaturen ergibt.

Mit Demonstrations-Kernkraftwerken wurde nachgewiesen, dass eine Weiterentwicklung der Technik in Richtung auf höhere Wirkungsgrade – neben der Sicherheitstechnik – durchaus möglich wäre.

Weitere Informationen können Sie der Langfassung (pdf) entnehmen.

Dieser Beitrag entstand für die Energie-Fakten.de 20014 und wurde zuletzt 2010 aktualisiert.

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