Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

122.1 Dampfwolken steigen aus den Kühltür- men von Dampfkraftwerken (Gas-, Öl-, Kohle- oder Kernkraftwerke) und geben die Abwärme an die Umgebung ab. Welche Energiemengen werden hier umgesetzt? Luft- und Wasserdampf Kühl- turm Luft Fluss Verbrennungs- kessel Transformator Generator Dampf Turbine Pumpe Kondensator zur Abgas- reinigung 122.2 Schema eines Kraftwerks mit Dampf- turbinen. 122.3 Die Müllverwertungsanlage Zwenten- dorf/Dürnrohr (Hintergrund) erzeugt Dampf für das Kraftwerk Dürnrohr. Fernwärme wird bis St. Pölten geliefert. Dadurch können ca. 75% der Energie im Müll genutzt werden. 122.4 Das Kraftwerk Simmering (Wien) ist der- zeit (2012) das leistungsstärkste Kraftwerk Österreichs, es erzeugt 700MW elektrische Leistung und 450MW Fernwärme und erreicht dadurch einen Wirkungsgrad von über 80%. Ein Kühlturm ist hier überflüssig. In den adiabatischen Arbeitsschritten 2 und 4 wird keine Wärme ausgetauscht und daher keine Entropie erzeugt. Der Carnot´sche Kreisprozess ist reversibel und führt zum Anfangszustand zurück, daher ändert sich die Entropie des Arbeitsmit- tels nicht: Δ S gesamt = Δ S 1 + Δ S 2 = 0 oder Δ S 1 = – Δ S 2 . Die Arbeit W entspricht der Differenz von zugeführter Wärme Q 1 und der Abwär- me Q 2 . Als Wirkungsgrad ergibt sich: η = W / Q 1 = ( Q 1 – Q 2 )/ Q 1 = ( T 1 Δ S 1 + T 2 Δ S 2 )/( T 1 Δ S 1 ) = ( T 1 – T 2 )/ T 1 = 1 – T 2 / T 1  Der reversible Prozess mit Δ S gesamt = 0 stellt den Prozess mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad dar. Reale Prozesse haben immer einen niedrigeren Wirkungs- grad η . Daher ergibt sich allgemein: Der maximale Wirkungsgrad η th einer periodisch arbeitenden Maschine, die Wärme einem Energiespeicher mit der Temperatur T 1 entnimmt und Abwärme an die Umwelt mit der Temperatur T 2 abgibt, ist η th = 1 – T 2 / T 1 η th heißt thermodynamischer Wirkungsgrad . Das Gleichheitszeichen gilt für den Grenzfall des reversiblen Prozesses. Für reale Prozesse gilt: η < η th Der thermodynamische Wirkungsgrad hängt nur vom Verhältnis T 2 / T 1 ab. Könnte man die Abwärmetemperatur T 2 = 0K erreichen, so wäre eine vollständige Um- wandlung von Wärme in Arbeit möglich. Da aber T 2 nicht unter die Temperatur der Umgebung (etwa 300K ) gesenkt werden kann, können große Wirkungsgrade nur durch hohe Arbeitstemperaturen T 1 erzielt werden. Die gespeicherte Energie kann umso besser in Arbeit umgewandelt werden und ist daher umso wertvoller , je höher die Temperatur des Speichers ist. Daher wird hochwertige Energie verschwendet, wenn wir Brennstoffe bei hohen Temperaturen von über 1 000 °C verbrennen, um Wasser auf 100 °C zu erhitzen. Stattdessen sollte man „Nieder-Temperatur-Wärme“ mit anderen Verfahren bereitstellen, aber nicht hochwertige „arbeitsfähige“ Energie verheizen: Fernwärmenetze liefern in Städten Abwärme aus Wärmekraftwerken und Müllverbrennungsanlagen an Industrie und Haushalte. Die Abwärme bei Wärmekraftmaschinen ist also kein Konstruktionsmangel, son- dern eine unvermeidliche Folge der Gesetze der Thermodynamik. Der deutsche Physiker M AX P LANCK (1858–1947) formulierte die Aussage des 2. Hauptsatzes da- her so: Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt, als eine Last zu heben und einem Behälter dauernd Wärme zu entziehen. In der Praxis ist der tatsächliche Wirkungsgrad wesentlich kleiner als der maxi- male. Reale Prozesse laufen immer irreversibel ab! Beispiel: Wirkungsgrad moderner Gas- und Dampfkraftwerke Die Kombination von Gasturbinen, Dampfturbinen und Fernwärme stellt derzeit die bestmögliche Energienutzung dar. In der Gasturbine wird Erdgas zusammen mit Sauer- stoff aus der Luft verbrannt. Die heißen Gase treiben die Turbinenschaufeln, expandie- ren und kühlen sich dabei von 1 600 °C auf 650 °C ab. Sie sind dann noch heiß genug, um Wasserdampf für eine Dampfturbine zu erzeugen. Der thermodynamische Wirkungsgrad der Gasturbine ist η th = (1 600 – 650)/(1 600 + 273) = 0,51 = 51% . Die Gasturbine treibt einen Generator zur Stromerzeugung, wobei sich insgesamt ein Wirkungsgrad von 40% ergibt. Die zusätzliche Stromerzeugung mit der Dampfturbine und die Bereitstellung von Fernwärme ermöglichen, ca. 80% der Energie des eingesetzten Erdgases zu nutzen. 122 ENERGIE Nur zu Prüfzwe ken – Eigentum des Verlags öbv