Das Kohlekraftwerk
AFB IIIn einem Kohlekraftwerk erreicht der Dampf eine Temperatur von \( 597\ ^\circ\mathrm C \). Die Kühlung erfolgt mit Flusswasser von \( 27\ ^\circ\mathrm C \). Das Kraftwerk setzt pro Sekunde \( 1000\ \mathrm{MJ} \) an Brennstoffenergie um; sein tatsächlicher Wirkungsgrad beträgt 45 %.
- Berechnen Sie den maximal möglichen Wirkungsgrad des Kraftwerks.
- Berechnen Sie, wie viel Abwärme das Kraftwerk pro Sekunde tatsächlich abgibt.
- Erläutern Sie, warum der tatsächliche Wirkungsgrad unter dem berechneten Maximalwert liegt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\( T_h = 597\ ^\circ\mathrm C = 870\ \mathrm K \), \( T_k = 27\ ^\circ\mathrm C = 300\ \mathrm K \)
\( \eta_{\max} = 1 - \dfrac{300\ \mathrm K}{870\ \mathrm K} = 0{,}655 = \underline{65{,}5\ \%} \)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Nutzbar: \( 0{,}45 \cdot 1000\ \mathrm{MJ} = 450\ \mathrm{MJ} \) pro Sekunde, also 450 MW elektrische Leistung.
Abwärme: \( 1000\ \mathrm{MJ} - 450\ \mathrm{MJ} = \underline{550\ \mathrm{MJ}} \) pro Sekunde.
Mehr als die Hälfte der eingesetzten Energie verlässt das Kraftwerk also über Kühlturm und Flusswasser.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\( \eta_{\max} \) ist eine theoretische Obergrenze. Sie berücksichtigt ausschließlich die beiden Temperaturen und setzt einen ideal geführten Kreisprozess voraus.
Im echten Kraftwerk kommen Verluste hinzu, die in der Formel gar nicht vorkommen: Reibung in Turbine und Lagern, Wärmeverluste an Rohren und Kesselwand, unvollständige Verbrennung, Strömungsverluste im Dampf sowie der Eigenverbrauch der Anlage (Pumpen, Mühlen, Rauchgasreinigung).
Deshalb liegt der reale Wert mit 45 % deutlich unter den 65,5 %. Umgekehrt gilt aber: Kein technischer Fortschritt kann den Wert je über \( \eta_{\max} \) heben — dazu müsste man die Temperaturen ändern.
Strom aus dem Meer
AFB IIIEin Ingenieurbüro schlägt ein Kraftwerk vor, das den Temperaturunterschied im Ozean nutzt: Das Oberflächenwasser hat \( 27\ ^\circ\mathrm C \), das Tiefenwasser in 900 m Tiefe nur \( 5\ ^\circ\mathrm C \). In der Werbebroschüre steht: „Im Meer steckt unbegrenzt viel Energie — unser Kraftwerk macht daraus sauberen Strom, ganz ohne Brennstoff.“
- Berechnen Sie den maximal möglichen Wirkungsgrad dieses Kraftwerks.
- Beurteilen Sie die Aussage der Broschüre.
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\( T_h = 27\ ^\circ\mathrm C = 300\ \mathrm K \), \( T_k = 5\ ^\circ\mathrm C = 278\ \mathrm K \)
\( \eta_{\max} = 1 - \dfrac{278\ \mathrm K}{300\ \mathrm K} = 0{,}073 = \underline{7{,}3\ \%} \)
Real wären davon nur wenige Prozent übrig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Aussage ist teilweise richtig, aber irreführend.
Richtig ist: Es wird tatsächlich kein Brennstoff verbrannt, und im Meer steckt sehr viel innere Energie. Physikalisch unmöglich ist der Vorschlag nicht — es gibt einen echten Temperaturunterschied, also lässt sich Arbeit gewinnen. (Wäre das ganze Meer gleich warm, wäre es dagegen ein Perpetuum mobile 2. Art.)
Irreführend ist: Nicht die Menge der Energie entscheidet, sondern der Temperaturunterschied. Mit 22 K Differenz sind höchstens 7,3 % nutzbar — und damit müssen über 92 % der umgewälzten Wärme wieder abgegeben werden.
Folge: Für eine nennenswerte Leistung müssten gewaltige Wassermengen aus 900 m Tiefe gepumpt werden. Ein Großteil des gewonnenen Stroms ginge für die Pumpen wieder drauf. Der Satz „unbegrenzt viel Energie“ verwechselt vorhandene mit nutzbarer Energie.
