Kühlwassernutzung

Wärmehaushalt der Gewässer

Die Wassertemperatur beeinflusst die physikalischen, biologischen und chemischen Vorgänge in einem Gewässer ganz wesentlich. Sie resultiert aus der Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe des Gewässers und strebt einer Gleichgewichtstemperatur zu.

Der Wärmeeintrag in ein Gewässer ist auf das notwendige Maß zu beschränken, damit die im Gewässer vorkommenden Lebensgemeinschaften (Biozönosen) so wenig wie möglich beeinträchtigt werden. Deshalb wurden von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) schon vor vielen Jahren Grundsätze und Vorgaben für Wärmeeinleitungen in Gewässer erarbeitet. In der Oberflächengewässerverordnung (OGewV) wurden weitergehende und konkrete Anforderungen an die Gewässerqualität festgelegt. Damit wurde EG-Recht in Landesrecht umgesetzt. Diese Vorgaben werden in wasserrechtlichen Bescheiden in Form von Benutzungsbedingungen und Auflagen umgesetzt. Rechtsgrundlage sind dabei das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und das Bayer. Wassergesetz.

Kühlwassernutzung und Abwärme

Prinzipielle Anordnung der Anlagen in einem Wärmekraftwerk bei Durchlaufkühlung

Kühlwasser wird insbesondere bei der Energiegewinnung in Wärmekraftwerken benötigt. In Wärmekraftwerken kann aufgrund von physikalischen Gesetzmäßigkeiten (Hauptsätze der Thermodynamik) nur ca. 35 bis 40% der eingesetzten Energie in Strom umgewandelt werden. Die restlichen 60 bis 65% der im Brennstoff enthaltenen Energie werden in Wärme umgewandelt, die aus dem System abgeführt werden muss. Abwärme fällt im Kraftwerk hauptsächlich am Wärmetauscher (Kühler/Kondensator) an. Diese wird mittels Kühlwasser aus dem Kraftwerk abgeführt. Außer bei der Energieerzeugung in Wärmekraftwerken fällt auch in anderen Wirtschaftsbereichen, beispielsweise der chemischen Industrie, Abwärme und somit Kühlwasser an. Die Abwärme wird ebenfalls wie bei Wärmekraftwerken mittels Kühlwasser abgeleitet.
Zum Teil kann Abwärme als Fernwärme oder für industrielle Prozesse genutzt werden (Kraft-Wärme-Koppelung). Die verbleibende Abwärme muss über Rückkühleinrichtungen an die Umgebung abgegeben werden.

Bei der Wärmeabgabe an die Umwelt werden prinzipiell drei Verfahren eingesetzt:

• Kühlung mit Flusswasser im Durchlauf
• Kühlung mit Flusswasser im Ablauf oder Kreislauf (Verdunstungskühltürme) und
• Kühlung mit Luft (wasserwirtschaftlich nicht relevant).

Kühlprinzipien

Im Folgenden werden die drei unterschiedlichen Kühlprinzipien dargestellt:

Kühlprinzipien

Der Wasserbedarf für die Durchlaufkühlung ist groß. So muss bei einer Aufwärmspanne von etwa 10 °C mit einem Kühlwasserbedarf von etwa 3,5 m3/s je 100 MW installierter elektrischer Leistung gerechnet werden. Dabei wird die gesamte Abwärme an das Gewässer abgegeben. Die Abwärmebelastung für das Gewässer lässt sich verringern, wenn eine Ablaufkühlung betrieben wird, d. h., dass ein Teil der aufgenommen Wärme über einen Kühlturm an die Atmosphäre abgegeben wird. Mit der Kreislaufkühlung läßt sich der Wasserbedarf und die Abwärmeeinleitung in das Gewässer noch weiter einschränken, wobei der überwiegende Teil der Wärme an die Atmosphäre abgegeben und das Kühlwasser mehrfach genutzt wird. Anhaltswerte für die an das Gewässer und an die Atmosphäre abgegebenen Wärmemengen liefert nachstehende Tabelle:

Die meisten großen Kraftwerke befinden sich an den großen Flüssen und werden über die Wasserverdunstung in Kühltürmen rückgekühlt. Dadurch verringert sich der Wärmeeintrag in das Gewässer auf bis zu 10% gegenüber der Durchlaufkühlung. Kühltürme verringern also den Wärmeeintrag in das Gewässer deutlich. Im Gegensatz zur Durchlaufkühlung, bei der das Kühlwasser im Regelfall nur mechanisch gereinigt wird, müssen dem Kühlwasser bei Kühlturmbetrieb jedoch chemische Konditionierungsmittel zugesetzt werden, um einen reibungslosen Anlagenbetrieb sicherzustellen.

Da auch bei Kreislaufsystemen immer ein gewisser Kühlwasseranteil ausgeschleust werden muss, gelangen die eingesetzten Chemikalien zu einem gewissen Anteil mit dem "Abflutwasser" in das Gewässer.

Der Einsatz von Konditionierungsmitteln für das Kühlwasser wird in Anhang 31 zur Abwasser Verordnung geregelt und in den Bescheiden in Form von Benutzungsbedingungen und Auflagen umgesetzt.

Sonstiges

Kühlverfahren - Wirkungsgrad

Das bei einer Kreislaufkühlung erforderliche Kühlturmsystem führt wegen anderer Druck- und Temperaturverhältnisse gegenüber der Durchlaufkühlung zu einem schlechteren Wirkungsgrad der elektrischen Anlagenleistung und folglich zu einem höheren Primärenergieeinsatz. Dadurch werden zusätzlich CO₂ und Schadstoffreste aus der Verbrennung an die Luft abgegeben. Dies gilt insbesondere für das kühlwasserfreie System einer Trockenkühlanlage. Während bei der Frischwasserkühlung im Durchlauf das Wasser in der Regel nur physikalisch verändert wird, ist bei Kreislaufkühlsystemen meist ein Chemikalieneinsatz erforderlich. Daher sollte dem Durchlaufkühlsystem bei entsprechender Leistungsfähigkeit des Gewässers Vorrang eingeräumt werden.

Wasserverbrauch

Durch den Kühlturmbetrieb entsteht die je nach Wetterlage mehr oder weniger sichtbare Wasserdampffahne über dem Kühlturm. Das Kühlwasser wird im Kühlturm z.T. verdunstet, um die sog. Verdunstungskälte für den Kühlprozess auszunutzen. Die in die Atmosphäre verdunstete Wassermenge fehlt somit in der Wasserbilanz des Gewässers.

Der Anteil, der durch die Verdunstung dem Kühlkreislauf entzogen wird, muss ersetzt,
d.h. dem Kühlkreis muss Frischwasser zugeführt werden. Für die Verdunstung von Kühlwasser werden in wasserarmen Gebieten nördlich der Donau von den Kraftwerksbetreibern Ausgleichsmaßnahmen gefordert und umgesetzt (zum Beispiel finanzielle Beteiligung der Kraftwerksbetreiber an der Überleitung von Donauwasser in das Maingebiet). Den Gewässerschutzbelangen an Regnitz und Main wird auf diese Weise aus gesamtökologischer Sicht Rechnung getragen.

Abwärmeemission - Abwärmenutzung

Abwärme und mögliche Abwärmenutzung

Die Abwärmeemission kann durch Kraft-Wärme-Kopplung (zum Beispiel Auskopplung der Abwärme zu Heizzwecken) vermindert werden. Damit wird es möglich, bis zu 85% der Brennstoffenergie zu verwerten, wodurch sich der Energienutzungsgrad des Kraftwerks zusätzlich erhöht. Die Nutzung der Abwärme als "Fernwärme" scheitert jedoch bei Großanlagen meist an der Entfernung zu den jeweiligen Abnehmern (Haushalte, Industriebetriebe) und an der Ausnutzung (Sommer-, Winterbetrieb). Eine weitere Möglichkeit stellt die Nutzung des erwärmten Kühlwassers zur Warmwasserfischzucht oder für die Beheizung von Gewächshäusern dar. Hier können jedoch nur geringe Wärmemengen untergebracht werden. Neben der Nutzung der Abwärme als Wärmequelle kann die Abwärme zur Erzeugung von Kälte genutzt werden. Mit der Abwärme können beispielsweise Absorptionskältemaschinen zur Klimatisierung und Prozesskühlung betrieben werden.

Gewässerschutz- Luftreinhaltung

In der Entstickungsanlage (DENOX) wird durch das Eindüsen von Ammoniak die katalytische Reaktion zur Reduzierung von Stickoxiden im Rauchgas verstärkt. Die erforderliche Ammoniakmenge ergibt sich aus der Einhaltung der Grenzwerte für die Luftreinhaltung und hängt von der Leistungsfähigkeit des Katalysators ab. Aufgrund der Alterung des Katalysators muss verstärkt Ammoniak eingedüst werden, um die Anforderungen auf der Luftreinhaltungsseite erfüllen zu können. Ein Teil des Ammoniaks gelangt dabei verstärkt in das Rauchgaswaschwasser und führt zu einem Ansteigen des Ammoniumgehaltes am Ablauf der REA-Abwasserreinigungsanlage.