Kohlekraft: Die Technik, an der alles andere gemessen wird
Es liegt nahe, Kohle als gelöstes und auslaufendes Problem zu behandeln. Weltweit ist sie weder das eine noch das andere. Die Kohleverstromung erreichte in den 2020er Jahren Höchststände, und das durchschnittliche asiatische Kohlekraftwerk ist jung genug, um noch dreißig Jahre zu laufen. Jede ehrliche Darstellung des Energiesystems muss damit beginnen, zu beschreiben, was tatsächlich da ist.
Vom Gestein zur Drehbewegung
Ein Kohlekraftwerk ist eine Maschine zum Wasserkochen. Kohle kommt per Bahn oder Band an, wird zu einem Pulver feiner als Mehl gemahlen, sodass sie fast wie ein Gas verbrennt, und in einen Brennraum geblasen, wo sie bei rund 1.500 Grad verbrennt. Die Wände des Brennraums sind mit Rohren ausgekleidet, die Wasser führen, das die Wärme aufnimmt und zu Dampf wird.
Dieser Dampf treibt mit bis zu 600 Grad und 250 und mehr Atmosphären eine Turbine über mehrere Stufen abnehmenden Drucks. Die Turbine dreht einen Generator, und der Strom geht über einen Transformator hinaus. Der erschöpfte Dampf wird in einem Kondensator zurück zu Wasser verflüssigt, gekühlt von einem Fluss, dem Meer oder einem Kühlturm, und der Kreislauf beginnt von vorn. Das ist der Rankine-Kreisprozess, und es ist dieselbe Architektur wie bei Kernspaltung, Biomasse und konzentrierender Solarthermie - nur die Wärmequelle unterscheidet sich.
Die Energiedichte ist das, was Kohle zur Grundlage industrieller Energie machte. Ein Kilogramm Steinkohle hält 24 bis 30 Megajoule, genug, um einen Wasserkocher stundenlang zu betreiben. Sie ist dicht, lagerfähig, per Schiff und Bahn transportabel, und sie liegt auf dem Hof, ohne auszulaufen, zu verdunsten oder gekühlt werden zu müssen.
Diese letzte Eigenschaft wird in Vergleichen unterschätzt. Ein Kohlekraftwerk trägt wochenlangen Brennstoffvorrat auf dem Gelände und ist damit gleichgültig gegenüber Wetter, Tageszeit und Jahreszeit - die Frage des Kapazitätsfaktors, die Wind und Sonne bestimmt, stellt sich nicht. Wofür es das eintauscht, ist alles, was aus dem Schornstein kommt.
Warum der Wirkungsgrad bei 45 Prozent endet
Die theoretische Decke jeder Wärmekraftmaschine ist der Carnot-Wirkungsgrad, festgelegt durch die Temperaturen, zwischen denen sie arbeitet. Eine Anlage mit 600 Grad Dampf und 30 Grad Wärmeabgabe hat eine Carnot-Grenze um 65 Prozent. Wirkliche Anlagen erreichen bestenfalls 45 Prozent, weil wirkliche Turbinen, Pumpen und Rohre Reibung haben und wirkliche Wärmetauscher Temperaturunterschiede brauchen, um zu arbeiten.
Der Wirkungsgrad steigt also mit der Dampftemperatur, und die gesamte Entwicklungsgeschichte des Kohlekraftwerks ist die Geschichte, diese Temperatur hochzutreiben. Unterkritische Anlagen arbeiten unterhalb des kritischen Punkts von Wasser, bei rund 540 Grad, und erreichen 33 bis 37 Prozent. Überkritische Anlagen überschreiten 374 Grad und 221 bar, wo Wasser nicht mehr zwischen flüssig und dampfförmig unterscheidet, und erreichen 40 bis 42. Ultraüberkritische Auslegungen gehen auf 600 Grad und darüber für rund 45.
Das Hindernis darüber ist Metallurgie, nicht Thermodynamik. Kesselrohre und Turbinenschaufeln, die bei 700 Grad unter 300 Atmosphären dreißig Jahre halten sollen, verlangen Superlegierungen auf Nickelbasis, deren Kosten den gewonnenen Wirkungsgrad bislang überstiegen haben. Programme für fortgeschrittene ultraüberkritische Parameter laufen in Europa, Japan und China seit zwei Jahrzehnten, ohne den kommerziellen Einsatz erreicht zu haben.
Der Abstand zwischen dem Besten und dem Durchschnitt wiegt schwerer als die Decke. Der weltweite Flottenwirkungsgrad liegt im Mittel bei rund 37 Prozent, ein erheblicher Teil der Kohleverstromung läuft also auf jahrzehntealter Technik. Den Durchschnitt an das beste Verfügbare heranzuführen senkte die Emissionen bei gleicher Strommenge um etwa ein Fünftel - einer der größeren und am wenigsten besprochenen Hebel.
Was herauskommt
Kohlendioxid ist unvermeidbar. Kohlenstoff zu verbrennen erzeugt es, und kein Verbrennungsverfahren kann die Chemie umgehen. Ein Kohlekraftwerk emittiert über den Lebenszyklus rund 820 Gramm je Kilowattstunde - gegenüber etwa 490 bei Erdgas, 12 bei Wind, 11 bei Kernkraft und 41 bei Photovoltaik. Das zu senken verlangt entweder weniger Kohle oder das Abfangen des Produkts, was die Kohlenstoffabscheidung versucht.
Alles andere im Rauchgas lässt sich beherrschen, und in wohlhabenden Ländern ist es das weitgehend. Schwefeldioxid, Ursache des sauren Regens, wird durch Rauchgasentschwefelung entfernt, meist indem es mit Kalkstein zu Gips reagiert. Stickoxide werden durch gestufte Verbrennung und selektive katalytische Reduktion gesenkt. Staub wird von Elektrofiltern und Gewebefiltern mit Abscheidegraden über 99 Prozent zurückgehalten.
Quecksilber ist der unangenehme Fall. Kohle enthält Spuren von Quecksilber, das im Brennraum verdampft und sich schwer abscheiden lässt, und die Kohleverbrennung gehört weltweit zu den größten menschlichen Quellen von Quecksilber in der Atmosphäre.
Der feste Rückstand ist Asche - der Masse nach rund 10 Prozent der Kohle, mit den Spurenelementen, die im Gestein waren, darunter geringe Mengen Uran und Thorium. Ein großer Teil davon wird in Zement und Beton verwendet, was tatsächlich nützlich ist, der Rest lagert in Becken oder Deponien, wo die Dichtheit das anhaltende Thema ist.
Warum sie fortbesteht
Die Kohleverstromung ist in Europa und Nordamerika deutlich gefallen und in Asien gestiegen, und der Weltwert erreichte in den 2020er Jahren Höchststände. Die Erklärung ist nicht, dass jemand Kohle für gut hielte. Sie ist, dass die Kraftwerke da sind, bezahlt sind und viele davon jung.
Das durchschnittliche Kohlekraftwerk in China und Indien ist rund 15 Jahre alt bei einer Auslegungsdauer von 40 und mehr. Eines stillzulegen heißt nicht, keines mehr zu bauen; es heißt, einen Vermögenswert mit jahrzehntelanger Restnutzung abzuschreiben, in Volkswirtschaften, in denen der Strombedarf noch wächst und in denen das Kraftwerk oft einem Staat oder einer Bank gehört, die dagegen ausgeliehen hat. Das ist ein finanzielles und politisches Problem, und deshalb werden Ausstiegspfade verhandelt und nicht konstruiert.
Der zweite Grund ist, was Kohle jenseits der Energie liefert. Sie läuft unabhängig vom Wetter, trägt ihren eigenen Brennstoffvorrat, und ihre drehenden Turbinen liefern die Netzschwungmasse, die die Frequenz stabilisiert. Ein Netz, das Kohle ersetzt, muss auch diese Dienste ersetzen und nicht bloß die Kilowattstunden - weshalb die Diskussion schnell zu Speichern, Netzausbau und durchgehend laufenden Quellen führt.
Der dritte ist Beschäftigung und Region. Kohlebergbau und -verstromung sind geografisch konzentriert, sodass Stilllegungen bestimmte Orte treffen, statt sich dünn zu verteilen. Jedes ernsthafte Transformationsprogramm musste das als zentrales Problem behandeln und nicht als Nachgedanken, und diejenigen, die es nicht taten, sind politisch meist gescheitert.
Häufige Fragen
Wie effizient ist ein Kohlekraftwerk?
Ein modernes ultraüberkritisches Kraftwerk wandelt rund 45 Prozent der Brennstoffenergie in Strom. Ältere unterkritische Anlagen erreichen 33 bis 37 Prozent, der weltweite Durchschnitt liegt bei etwa 37. Die Grenze folgt aus dem Carnot-Zusammenhang zwischen Dampf- und Kondensatortemperatur und aus dem, was Kessellegierungen aushalten.
Warum lassen sich Kohlekraftwerke nicht deutlich effizienter machen?
Der Wirkungsgrad steigt mit der Dampftemperatur, aber Rohre und Turbinenschaufeln, die jahrzehntelang bei 700 Grad und 300 Atmosphären laufen, verlangen Nickel-Superlegierungen, die mehr kosten, als der Wirkungsgradgewinn wert ist. Entsprechende Programme laufen seit zwanzig Jahren ohne kommerziellen Einsatz.
Wie viel Kohlendioxid erzeugt Kohle?
Über den Lebenszyklus rund 820 Gramm je Kilowattstunde, gegenüber etwa 490 bei Erdgas, 41 bei Photovoltaik, 12 bei Wind und 11 bei Kernkraft. Kohle liefert rund ein Drittel des Weltstroms und verursacht etwa 40 Prozent der energiebedingten Kohlendioxidemissionen.
Lässt sich Kohle sauber verbrennen?
Schwefeldioxid, Stickoxide und Staub lassen sich mit hohem Abscheidegrad aus dem Rauchgas entfernen, und in wohlhabenden Ländern geschieht das weitgehend. Kohlendioxid lässt sich verbrennungschemisch nicht entfernen - es ist das Produkt. Es abzufangen verlangt Abscheidetechnik, die Kosten verursacht und einen Teil der Kraftwerksleistung verbraucht.
Warum steigt die Kohlenutzung weltweit noch?
Weil die asiatische Flotte jung ist - im Mittel rund 15 Jahre bei 40 Jahren Auslegungsdauer - und der Bedarf weiter wächst. Ein Kraftwerk stillzulegen heißt, jahrzehntelange Restwerte abzuschreiben, meist zulasten staatlicher oder bankbezogener Bilanzen. Die Beschränkung ist finanziell und politisch, nicht technisch.
