Ein typisches Dampfkraftwerk: Die beiden Blöcke des Gemeinschaftskraftwerks Hannover. Als Brennstoff dient Steinkohle, die auf dem Mittellandkanal (Hintergrund) herangeschafft wird. Die beiden hochaufragenden Kesselhäuser beherbergen die Dampferzeuger. Die dazugehörigen beiden Turbosätzebefinden sich in der Maschinenhalle rechts daneben. Links neben den Kesselhäusern sieht man die umfangreichen Anlagen der Rauchgasreinigung mit den Schornsteinen. Ganz links der Kühlturm, der als Naturzug-Naßkühlturm ausgeführt ist. (zum Vergrößern Bild anklicken)

Auch Kernkraftwerke - im Bild das KKW Philippsburg mit je einem Siedewasser- und einem Druckwasserreaktor - gehören von ihrem Funktionsprinzip her zu den Dampfkraftwerken. Die Wärme für die Dampferzeugung stammt hier aus der kontrollierten Kernspaltung in den Brennstäben des Reaktors.

Wärmekraftwerke decken rund 90 Prozent unseres Strombedarfs

Theoretisch gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten, um Strom zu erzeugen: zum Beispiel aus chemischer Energie mit Brennstoffzellen oder aus Sonnenlicht mit Solarzellen. In der Praxis ist die Wahlmöglichkeit aber stark eingeschränkt. Für die Stromerzeugung im großen Maßstab gibt es bisher nur eine einzige Möglichkeit: Sie besteht darin, daß man mittels mechanischer Energie einen Generator antreibt.

Im Prinzip ist ein Generator nichts anderes als ein elektrischer Motor, bei dem man die Betriebsrichtung vertauscht hat: Statt Strom in eine Drehbewegung zu verwandeln, macht der Generator aus einer Drehbewegung Strom. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung beträgt dabei bis zu 98 Prozent. Das heißt, daß von der mechanischen Energie, die an der Welle des Generators angreift, kaum etwas verlorengeht. Betreibt man mit dem erzeugten Strom einen elektrischen Motor, verwandelt dieser die Elektrizität mit ähnlich hohen Wirkungsgraden wieder in mechanische Energie (siehe Der Dreh mit dem Drehstrom und Das Netz der Stromversorgung).

Zur großen Familie der Wärmekraftwerke gehören auch "Exoten" wie diese beiden Parabolspiegel-Anlagen, die in der saudi-arabischen Wüste Sonnenwärme in elektrische Energie verwandeln. Als Wärmekraftmaschine für den Antrieb des Generators (50 kW) dient in diesem Fall ein Stirling-Motor.

Freilich muß man die mechanische Energie für den Betrieb des Generators erst einmal haben. Und hier spielen Wärmekraftwerke mit großem Abstand die wichtigste Rolle. Von den 596 Milliarden Kilowattstunden, die 2003 in sämtlichen deutschen Kraftwerken erzeugt wurden, kamen rund 90 Prozent aus Wärmekraftwerken. Der Rest stammte zum größten Teil aus Wasser- und Windkraft (jeweils ca. vier Prozent). Andere Arten der Energieumwandlung wie Solarzellen (0,01 Prozent) decken nur äußerst geringe Anteile am Stromverbrauch.

Die Familie der Wärmekraftwerke ist recht groß. Sie umfaßt nicht nur die Kohlekraftwerke, sondern ebenso Kernkraftwerke, Blockheizkraftwerke oder geothermische Kraftwerke. Was all diese Anlagen verbindet, ist das physikalische Prinzip der Umwandlung von Wärme in Strom. Dabei bildet das Herzstück der Energieumwandlung eine Wärmekraftmaschine, welche die notwendige Drehbewegung für den Generator liefert. Solche Wärmekraftmaschinen sind zum Beispiel die Dampfmaschine, die Dampfturbine, die Gasturbine, der Verbrennungsmotor, die Heißluftmaschine oder der Stirling-Motor. In der Praxis spielen Dampfturbinen mit großem Abstand die wichtigste Rolle, gefolgt von Gasturbinen und Verbrennungsmotoren. Je nach Art der eingesetzten Wärmekraftmaschinen unterscheidet man

Dampfkraftwerke (Antrieb des Generators durch Dampfturbine; eine Sonderform der Dampfkraftwerke sind Heizkraftwerke, die sowohl Strom erzeugen als auch Wärme auskoppeln ),

Gasturbinenkraftwerke (Antrieb des Generators durch Gasturbine),

Kombikraftwerke (Antrieb der Generatoren durch Gas- und Dampfturbine) sowie

Block(heiz)kraftwerke (Antrieb des Generators durch Verbrennungsmotor).

Der mögliche Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken wird durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt, der mit der Prozeßtemperatur zunimmt. Der damit vorgegebene Spielraum für den tatsächlichen Wirkungsgrad wird am besten von Kombi-Kraftwerken genutzt, die Gas- und Dampfturbine miteinander verbinden.

Der Carnot-Wirkungsgrad

All diese Wärmekraftwerke und die in ihnen eingesetzten Wärmekraftmaschinen sind, physikalisch gesehen, Anlagen zur Energieumwandlung und unterliegen den Gesetzen der "Thermodynamik". Dies bedeutet unter anderem, daß der Wirkungsgrad, mit dem die Wärme in Strom umgewandelt werden kann, grundsätzlich von dem Temperaturunterschied zwischen dem Ein- und Ausgang der Maschine abhängt und dadurch begrenzt wird. Die Energie, die beim "Sturz" der Wärme von einem höheren auf ein niedrigeres Temperaturniveau frei wird, kann auch im theoretischen Bestfall - also mit einer "ideal" arbeitenden Anlage - nur im Rahmen des "Carnotschen Wirkungsgrads" in Strom umgewandelt werden. Wärme läßt sich also nie völlig in mechanische Energie umwandeln. Hinzu kommt, daß es "ideale" Anlagen nicht gibt. In der Realität wird keine Wärmekraftmaschine die Grenzen, die durch den Carnotschen Wirkungsgrad gezogen sind, auch nur annähernd erreichen können.