Rechenbeispiel
Die Verdampfungsenthalpie / Kondensationswärme von Wasser beträgt bei 90°C ca. 2278 kJ/kg. Das bedeutet, um 1 kg Wasser bei 90°C zu verdampfen, werden 633 Wh Wärme benötigt.
Wenn 1 kg Wasserdampf bei 90°C in einem Wärmeübertrager kondensiert, werden ebenfalls 633 Wh übertragen. In Kraftwerken wird diese Kondensationswärme auch genutzt, um wiederum Wasser zu verdampfen, das dann als Wolken weithin sichtbar abgegeben wird.
Bei Propan beträgt die Verdampfungsenthalpie / Kondensationswärme bei 90ºC ca.133kJ pro kg. Das heißt um ein kg Propan bei 90ºC zu verdampfen, braucht es eine Energiezufuhr von 36,9 Wh. Wenn ein kg Propan in einem Wärmeübertrager verdampft, werden somit eben diese 36,9Wh übertragen.
633 : 36,9 = 17,1
Durch die Nutzung der Kondensationswärme des Wasserdampfes könnte man also pro kg Wasserdampf 17,1 kg Propan verdampfen.
Allerdings wäre dieser Propan-Dampf auch gesättigt und daher nicht für eine Turbine nutzbar, da Tropfenschlag entstehen würde. Außerdem hätte der Propan am Taupunkt einen unnötig hohen Druck von ca. 37,6 bar.
Daher wäre es besser, das Propan bei 50°C weniger zu verdampfen und dann um 50°C zu überhitzen.
Die Verdampfungsenthalpie von Propan bei 40°C beträgt 307 kJ, was 85,3 Wh pro kg entspricht. Dazu kommen weitere 23,5 Wh pro kg für die spezifische Wärmekapazität / Überhitzung da 1kg Propan ca. 0,47Wh pro 1K/1°C aufnehmen kann.
Damit hat Propan 93% der spezifischen Wärmekapazität von Wasserdampf.
Zusammen ergibt das 108,8 Wh pro kg für überhitzten Propandampf um 50 K/°C.
633 :108,8 = 5,8
Durch die Nutzung der Kondensationswärme des Wasserdampfes könnte man also pro kg Wasserdampf 5,8 kg Propan verdampfen und um 50 K bzw. °C überhitzen
Nur der überhitzte Teil des Propandampfes wird in der Turbine in Arbeitsleistung umgewandelt, indem seine spezifische Wärmekapazität aus der Überhitzung genutzt wird. Im Beispiel werden durch die Kondensationswärme von 633 Wh von 1 kg Wasserdampf ohne Überhitzung etwa 5,8 kg Propandampf mit etwa 494,7 Wh erzeugt.
Etwa 136,3 Wh werden dann zur Überhitzung des Propandampfes genutzt.
Um die gleiche Wärmekapazität von 136,3 Wh in 1 kg Wasserdampf zu übertragen, müsste man es um 267 K/°C überhitzen, da 1 kg Wasserdampf nur 0,51 Wh pro K bzw. °C Überhitzung aufnehmen kann.
136,3 : 0,51 = 267
Kernkraftwerke, die mit niedrigen Temperaturen von 350°C arbeiten, könnten ihren Wirkungsgrad sicherlich verdoppeln, indem sie die Kondensationswärme zusätzlich nutzen.
Ingenieure könnten auch andere Gase verwenden und günstigere Bedingungen schaffen. Allein schon mit der dargestellten Variante könnten große Mengen an zusätzlichem Strom erzeugt werden. Diese Erkenntnis könnte zu weiteren Innovationen und noch höheren Wirkungsgraden führen.
Man stelle sich nur vor wie viel CO2 eingespart werden könnte wenn sämtliche Kohlekraftwerke mit der Hälfte an Kohle die gleiche Menge Strom erzeugen würden.
Anwendungsbeispiel:
Französische Atomkraftwerke neuerer Bauart
»Der Kernreaktor vom Typ N4, ist ein vom ehemaligen französischen Unternehmen Framatomeentwickelter* wassergekühlter und leichtwassermoderierter Druckwasserreaktor* der 3. Generation. Er besitzt eine thermische Leistung von 4250 MWth, eine elektrische Leistung von 1450 MWe netto und damit einen Wirkungsgrad von 34,1 %.« (Quelle: Wikipedia/IAEA)
Somit erzeugen sie 65,9% Abwärme.
Diese Reaktoren werden in Chooz und Civaux in jeweils 2 Blöcken eingesetzt.
Jeder dieser Blöcke kann zurzeit theoretisch 12000 GW/h im Jahr produzieren. Insbesondere im Sommer können die Blöcke jedoch nicht in Volllast fahren, da die 2800 MW Abwärme dann oft nicht abgegeben werden können. Die Ausnutzung des Kondensationskraft-Verfahrens könnte diese Belastung des Kühlsystems halbieren. Somit könnten diese Blöcke zuverlässiger Strom produzieren.
In Frankreich wird gerade der Bau von 14 neuen Kraftwerksblöcken geplant, obwohl das Kühlproblem neue Standorte erfordert. Der neueste Block in Flammanville kostet allein schon 12,7 Mrd. Euro. Auch der finnische EPR neuester Bauart kostete über 10 Mrd. Euro.
Beide Bauvorhaben verzögerten sich um etwa ein Jahrzehnt.
Die neu geplanten Atommeiler würden überflüssig werden, wenn die alten Meiler durch das Kondensationskraft-Verfahren doppelt so viel Strom erzeugen.
Atomkraftbefürworter und Atomkraftgegner können damit gewinnen.
* Framatome (Wikipedia-Link)
* Druckwasserreaktor (Wikipedia-Link)