Kraftwerke

Referat von
Fatma Aydin
Die Energieversorgung
in Deutschland
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Klasse: 10 b
Titelblatt
Seite: 1
Inhaltsverzeichnis
Seite: 2
Unterschiede der Betriebsprinzipien von verschiedenen Kraftwerkstypen
Kohlekraftwerke
Seite: 3-4
Kernkraftwerke
Seite: 5-6
Wasserkraftwerke
Seite: 7-8
Windkraftwerke
Seite: 9-11
Gezeitenkraftwerke
Seite: 12
Gaskraftwerke
Seite: 13-14
Sonnenkraftwerke
Seite: 15-16
Biogaskraftwerke
Seite: 17-18
Effizienz der verschiedenen Kraftwerkstypen
Seite: 19
tabellarisch
Regionale Unterschiede
Seite: 20
Inland-Ausland
Kommentar zur Werbung der Energieversorger mit Ökostrom
Seite: 21-23
Ökologische Gesamtbillanz verschiedener Kraftwerkstypen
(Abfallproblem)
Seite: 24-26
Quellen
Seite: 27
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Ein Kohlekraftwerk ist ein konventionelles Kraftwerk, wobei die Energie durch die Verbrennung von Kohle erzeugt wird. So hat dieses Kraftwerk seinen Namen von der Kohle als
hauptsächlichem Brennstoff. Es gibt Kraftwerke, die entweder Steinkohle oder Braunkohle
verwenden. Die Kraftwerkstypen sind speziell für die jeweiligen Einsatzbrennstoffe mit ihren
verschiedenen Heizwerten und Ascheanteilen konzipiert. Der weltweite Wirkungsgrad von
Kohlekraftwerken beträgt im Durschnitt ungefähr 31 Prozent. In Deutschland wird die Grundlast der Stromversorgung, also die Netzbelastung, die während eines Tages in einem Stromnetz nicht unterschritten wird, mit den Braunkohlekraftwerken gedeckt. Die Mittellast der
Stromversorgung, also der Strom, der über die Grundlast hinaus zusätzlich verbraucht wird,
wird mit den Steinkohlekraftwerken abgedeckt. In Deutschland beträgt der Anteil an der gesamten Stromerzeugung für Steinkohle 24 Prozent und für Braunkohle 27 Prozent. Jedoch
sind diese Anteile an der gesamten Energie geringer. In der Funktionsweise eines Kohlekraftwerkes liegen viele Zwischenschritte. Zuerst wird die Kohle mit Schaufelbaggern abgebaut.
Über Förderbrücken gelangt die Rohkohle in das Zwischenlager. Bevor aber die Kohle verwendet werden kann, wird sie in einer Mühle zu feinem Kohlenstaub zermahlen und getrocknet. Anschließend wird der Kohlestaub über mehrere Brenner in den Kessel geblasen, wo er
bei Temperaturen von bis zu 1500°C verbrennt. Dadurch bringen die heißen Rauchgase das
Wasser, das durch die Rohrleitungen fließt, zum Sieden. Der entstehende Dampf wird bei
großem Druck (z.B. 270 bar) auf ca. 500°C erhitzt und strömt mit großer Geschwindigkeit auf
die Turbinenschaufeln. Diese drehen sich sehr schnell und treiben einen Generator an, welche nun Strom erzeugt. Der Wasserdampf, welcher in der Turbine schon sehr stark abgekühlt
wurde, fließt durch einen Kondensator, der sich unterhalb der Turbine befindet. Der Dampf
bewegt sich im Kondensator durch Rohrleitungen, welche von einem zweiten Wasserkreislauf umgeben sind. Das kalte Wasser aus den Kühltürmen oder von einem Fluss/See, umspült die Rohre indem sich der heiße Wasserdampf befindet. Der heiße Wasserdampf gibt
seine Wärme an das kalte Wasser aus den Kühltürmen oder aus dem Fluss bzw. See ab. So
erwärmt sich das kalte Wasser auch selbst. Bei diesem Vorgang kühlt der Dampf in dem geschlossenen Kreislauf ab und kondensiert wieder zu Wasser. Das Wasser gelangt nun wieder in den Dampferzeuger. Das erhitzte (vorher kalte Wasser aus den Kühltürmen oder aus
dem Fluss bzw. See) fließt nun zurück in die Kühltürme. Ein Teil davon verdampft und tritt
oben aus den Kühltürmen aus. Der andere Teil kühlt ab, gelangt wieder in den Kondensator
und umspült die Rohre mit dem Wasserdampf aus der Turbine. Die bei der Verbrennung entstandenen Abgase werden entstaubt, entstickt und entschwefelt, bevor sie das Kraftwerk
über den Schornstein verlassen. Während der Reinigung der Abgase durch chemische und
physikalische Vorgänge, entstehen die Nebenprodukte Staub und Gips. Die Asche der Kohle
wird ebenfalls verwendet, hauptsächlich als Baustoff. Der entstandene Strom wird auf 380
KV hochtransformiert, um die Verluste bei der Übertragung über Überlandleitungen möglichst
gering zu halten. Vor der Stadt (Verbraucher) wird der Strom dann auf 230 V heruntertransformiert.
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Die Schemazeichnung eines Kohlekraftwerkes:
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Die Kernkraftwerke werden auch Atomkraftwerke genannt und sind wie die fossil befeuerten
Kraftwerke (also mit Kohle, Öl oder Gas) Wärmekraftwerke, die zur Gewinnung elektrischer
Energie genutzt werden. Die Kernkraftwerke nutzen für die Dampferzeugung benötigte Wärme durch die Kernreaktor ablaufenden Kernspaltungen der radioaktiven Elemente Uran oder
Plutonium. Während die fossil befeuerten Kraftwerke die Verbrennung von kohlenstoffhaltiger
Energieträger Kohle, Öl oder Gas als Wärmequelle benutzen. Das Grundprinzip der Kernkraftwerke basiert darauf, dass die bei Kernspaltungen freiwerdende Energie größtenteils als
Wärme abgegeben wird, welche über die Dampferzeugung in elektrische Energie umgesetzt
werden kann. Nach einer Kernspaltung geht die Wärme, welche im Reaktorzentrum entstand, an ein Kühlmittel über. Dabei steht das Kühlmittel unter Druck und durchströmt in einem geschlossenen Rohrsystem den Reaktor. Im Primärkreislauf können diese Kühlmittel
beispielsweise Wasser, schweres Wasser, flüssiges Natrium, ein Natrium- Kalium- Gemisch
oder Gase wie Kohlenstoffdioxid und Helium sein. Mit Hilfe eines Wärmeaustauschers wird
die Wärme des Primärkreislaufs über ein strömendes Kühlmittel, wie z.B. Wasser an einen
Sekundärkreis weitergeleitet. Durch diesen Prozess werden die Turbogeneratoren angetrieben, da das Wasser durch den Wärmetauscher verdampft. Die Turbogeneratoren dienen dabei zur Erzeugung des elektrischen Stroms. Nach diesen Arbeitsschritten strömt das Kondensat des Sekundärkreislaufes wieder zurück zum Wärmeaustauscher. Dabei ist die Trennung
zwischen Primär- und Sekundärkreislauf sehr wichtig, da das Kühlmittel von ersterem stark
radioaktiv wird und ohne Übertragung in einen zweiten Zyklus viele Sachverhalte des Kernkraftwerks verseuchen würde. Um das Bedienungspersonal nicht zu gefährden, werden die
Rohrleitungen, welche den Primärkreislauf bilden und der Reaktorkern mit einem dicken
Mantel aus Beton, Blei und Stahl nach außen abgeschirmt, um die schädliche radioaktive
Strahlung vorzubeugen. Außerdem können die Kernkraftwerke mit unterschiedlichen Wasserreaktoren ausgerüstet werden. So sind die meisten Kernkraftwerke Leichtwasser-, Druckwasser- oder Siedewasserreaktoren. Im Allgemeinen wird beim Betrieb moderner Kernkraftwerke
von einer Nutzungsdauer von mindestens 40 Jahren ausgegangen. Dabei beträgt der Wirkungsgrad z. B. bei Druckwasserreaktoren rund 34 Prozent.
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Die Dampferzeugung anhand eines Druckwasserreaktors bei Kernkraftwerken:
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Die Wasserkraftwerke werden auch als Wasserkraftanlagen bezeichnet und sind Elektrizitätswerke, welche die mechanische Energie des Wassers in elektrischen Strom umwandeln.
Dadurch wird die Wasserkraft für die Menschen nutzbar gemacht. Um diese Energie zu nutzen, wird in einer Stauanlage, z.B. in einem Staudamm, das Wasser in möglichst großer
Höhe aufgestaut. So besteht ein Wasserkraftwerk aus einem höher gelegenen Wasserspeicher, Turbinen und Generatoren. Das Wasser fließt mit hohem Druck durch Rohre und trifft
im Tal auf die Turbinen, die durch das Wasser in Bewegung gesetzt werden. So treibt also
die Energie dieser Bewegung eine Wasserturbine oder ein Wasserrad an. Die Generatoren
sind mit den Turbinen durch Wellen verbunden und liegen direkt über den Turbinen. Wenn
sich die Turbine dreht, dann dreht sich folglich auch die Welle. Diese Welle treibt wiederum
den Generator an, der dann den Strom erzeugt. So wandelt also der Generator die mechanische Energie in Elektrizität um, indem die Drehbewegungen der Turbine an die Welle des
Generators weitergeleitet werden. Die Leistung der Wasserkraftwerke ist von vielen Faktoren
abhängig. Neben den technischen Bedingungen der Turbine, des Generators und des Transformators bestimmen vor allem die Fallhöhe und das Maß des Wasserdurchflusses die entstehende Leistung. So werden verschiedene Turbinen für die unterschiedliche Fallhöhe des
Wassers in einem Wasserkraftwerk eingesetzt. Für sehr große Fallhöhen werden Pelton-Turbinen, für mittlere Fallhöhen Francis-Turbinen und für kleine Fallhöhen Propeller-bzw.
Kaplan-Turbinen eingesetzt. Außerdem haben Wasserkraftwerke einen sehr hohen Wirkungsgrad, da bis zu 90 Prozent der nutzbaren Wasserkraft in Strom umgewandelt werden
kann. Die Wasserkraftwerke sind auch von geografischen Bedingungen abhängig. So werden sie vor allem in Mittel- und Hochgebirgen, aber auch an großen Flüssen errichtet. Dadurch haben einige Länder einen Standortvorteil. Die verschiedenen Typen von Wasserkraftwerken werden nach Nutzgefälle, Auslastung und nach der Bauart eingeteilt. Bei einer Fallhöhe von unter 15 Metern werden Niederdruckkraftwerke verwendet, welche gleichzeitig
auch als Grundlastkraftwerke bezeichnet werden, da sie für die Grundlast des Stromverbrauchs verwendet werden. So ist die Auslastung der Grundlastkraftwerke über 50 Prozent.
Diese Niederdruck-/Grundlastkraftwerke sind z.B. Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerke und Strom-Bojen. Solche Wasserkraftwerkstypen werden mit einer Kaplan-Turbine oder mit einer Durchströmturbine betrieben. Bei einer Fallhöhe von 15 bis zu 50 Metern
werden Mitteldruckkraftwerke verwendet, welche gleichzeitig auch als Mittellastkraftwerke
bezeichnet werden, da sie für die Grundlast und Mittellast des Stromverbrauchs verwendet
werden. So ist die Auslastung der Mittellastkraftwerke 30 bis 50 Prozent. Diese
Mitteldruck/Mittelastkraftwerke sind z.B. Flusskraftwerke mit Schwellbetrieb oder Speicherkraftwerke. Solche Wasserkraftwerkstypen werden mit einer Francis-Turbine, Kaplan-Turbine
oder mit einer Durchströmturbine betrieben. Bei einer Fallhöhe von 50 bis zu 2.000 Metern
werden Hochdruckkraftwerke verwendet, welche gleichzeitig auch als Spitzenlastkraftwerke
bezeichnet werden, da sie für die Spitzenlast des Stromverbrauchs verwendet werden. So ist
die Auslastung der Spitzenlastkraftwerke unter 30 Prozent. Diese Hochdruck-/Spitzenlastkraftwerke sind z.B. Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke und Kavernenkraftwerke.
Solche Wasserkraftwerkstypen werden mit einer Francis-Turbine oder mit einer Pelton-Turbine betrieben. Man kann die Wasserkraftwerke auch wie schon genannt nach den Bauarten
einteilen. So gibt es Laufwasserkraftwerke, bei dem ein Fluss gestaut wird und mit dem abfließenden Wasser elektrischer Strom produziert wird. Neben den Laufwasserkraftwerke gibt
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es auch Speicherkraftwerke, bei dem das Wasser über einen Zeitraum vom mehreren Stunden bis Monaten gespeichert wird, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen. So
gibt es auch Pumpspeicherkraftwerke, bei dem mit überschüssigem Strom Wasser aus einer
niedrigeren Lage in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird, um später Spitzenstrom
zu erzeugen. Es gibt auch Kavernenkraftwerke, die künstlich geschaffene Hohlräume (Kavernen) als Energiespeicher oder als Standort für Kraftwerkskomponenten verwenden. Die Gezeitenkraftwerke dagegen nutzen die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und
Flut. In Wellenkraftwerken wird die Energie der kontinuierlichen Meereswellen selbst ausgenutzt und nicht im Unterschied zu einem Gezeitenkraftwerk der Tidenhub. Die Meeresströmungskraftwerke nutzen die kinetische Energie von Meeresströmungen. Die Strom-Bojen
sind neuartige Typen und wandeln die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie
um. Außerdem kann man die Turbinen der Wasserkraftwerke in zwei große Hauptgruppen
unterteilen: In Überdruckturbinen wie z.B. die Kaplan- und Francis-Turbine oder in Gleichdruckturbinen wie beispielsweise die Pelton-Turbine.
Die Kaplanturbine:
Die Überdruckturbine:
1.Das Wasser wird von oben auf den
Propeller geleitet. 2.Das Wasser von oben
drückt nach. 3.So muss das Wasser durch
den Propeller. 4. Der Propeller dreht sich
und treibt damit den Generator an.
Die Pelton-Turbine:
1.Das Wasser wird mit hohen Druck durch
bis zu sechs Düsen auf ein Laufrad gespritzt.
2.Das Laufrad fängt dadurch an sich zu
drehen. 3.Der Generator wird dabei
angetrieben.
Die Francis-Turbine:
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Die Kaplan-Turbine:
Die Windkraftwerke werden auch Windkraftanlagen genannt und wandeln die kinetische
Energie des Windes, also die Bewegungsenergie von Luftströmen in elektrische Energie um
und speisen die gewonnene Energie in das Stromnetz ein. Bei dieser Energieerzeugung aus
Windkraft handelt sich um eine kostenfreie Energie, da bei ihrer Nutzung kein Bedarf an
Energieträgern, wie zum Beispiel Kohle, Öl oder Gas gibt. Ein Windkraftwerk besteht in der
Regel aus einem 10 bis 100 Meter hohen Mast aus Stahl und Beton, an dem eine Gondel angebracht ist. Die Gondel bildet den Grundrahmen, Träger sowie eine Verkleidung zur Aufnahme und Befestigung von Getriebe und Generator. Neben den Rotorblättern und der Rotorwelle sind auch Steuerfahnen zur Einstellung der Winkel für die jeweilige Windrichtung montiert.
Die Funktionsweise der Windkraftwerke beruht darauf, dass die kinetische Energie der Windströmung auf die Rohrblätter wirkt und zu einer Drehbewegung des Rotors herbeiführt. Der
Rotor gibt diese Rotationsenergie an den Generator weiter, welcher die mechanische Energie in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Es gibt zwei verschiedene Arten von Windkraftwerken, das Aufwindkraftwerk und das Fallwindkraftwerk. Bei den Aufwindkraftwerken,
die auch Thermikkraftwerke genannt werden, handelt es sich um Kraftwerke, die aus einer
Kombination von Treibhaus, Kamin und Windrad elektrische Energie erzeugen. Die Aufwindkraftwerke nutzen die Eigenschaft, dass warme Luft nach oben steigt. Durch ein lichtdurchlässiges Dach (z.B. ein Glasdach) wird das auf den Boden auftreffendes kurzwelliges Licht
(Sonneneinstrahlung) in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt, welche die umgebene
Luft und den Boden wie in einem Treibhaus aufheizt. Die erwärmte Luft strömt daraufhin mit
hoher Geschwindigkeit unter dem Glasdach zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. So entsteht ein Aufwind, der auch Thermik genannt wird. Der Aufwind wird mit Hilfe von Turbinen in
elektrischen Strom umgewandelt. Das entgegengesetzte Prinzip ist das Fallwindkraftwerk,
der auch Abwindkraftwerk genannt wird. Bei diesen Kraftwerkstypen wird die sonnenerwärmte Luft durch Besprühen mit Wasser abgekühlt und fällt in einem Kamin nach unten. Dabei
wird im oberen Teil des hohen Kamins Wasser eingesprüht. Das verdunstete Wasser entzieht
der Luft Wärme, welche sich um 12°C gegenüber der Außenluft abkühlt und im Kamin mit einer Geschwindigkeit bis zu 20 Metern pro Sekunde nach unten fällt. Am Fuß des Kamins
werden wie beim Aufwindkraftwerk Windräder angeordnet, die dann aus dieser künstlichen
Luftströmung Strom erzeugen. Außerdem benötigen Fallwindkraftwerke keinen Kollektor zur
Umwandlung der Sonnenenergie, da ein hoher Kamin verwendet wird. Zur Stromerzeugung
haben die Windkraftwerke auch verschiedene Bauformen der Rotationsachsen. So gibt es
horizontale und vertikale Rotationsachsen, wobei sich die horizontale Rotationsachse durchgesetzt hat. Bei der horizontalen Rotationsachse sind Generator, Getriebe und Nabe in einer
Gondel untergebracht, die drehbar auf dem Turm sitzt, sodass die Rotorblätter optimal in den
Wind gestellt werden können. Die Rotorblätter sind über die Rotornarbe mit Rotorwelle verbunden. Dabei unterscheidet man Lee-und Luvläufer. Bei Leeläufern befinden sich die Rotorblätter auf die windabgewandten Seiten des Turmes. Diese Anlagen brauchen keine Vorrichtungen zur aktiven Windrichtungsnachführung. Bei den häufig verwendeten Luvläufern befinden sich die Rohrblätter auf der windzugewandten Seite des Turmes. Dadurch werden Belastungen der Blätter und Leistungsschwankungen, die beim Durchlauf des Turmschattens entstehen vermieden. Bei dem anderen Prinzip folgen die Rotoren mit senkrechter Drehachse,
wie der Darrieus- und der Savonius-Rotor. So bestehen die Darrieus-Rotoren aus zwei oder
drei gekrümmten Rotorblättern, die oben und unten an der Drehachse befestigt sind. Da sie
von der Windrichtung unabhängig sind, entfällt die Nachführung, wie es bei den Horizontalen
Rotationsachsen der Fall ist. Nachteilig ist, dass sie erst bei Windgeschwindigkeiten von annähernd 6 m/s (Windstärke 4) selbsttätig anlaufen können. Deshalb werden sie meist mit
leicht anlaufenden Savonius-Rotoren kombiniert. Die verschiedenen Bauformen der Rotationsachsen haben je nach den vorherrschenden Standortbedingungen eine bessere oder
schlechtere Leistung.
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Vertikale Rotationsachsen:
Horizontale Rotationsachse:
Beispiele für eine Anlage mit Getriebe und ohne Getriebe:
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Die Skizze eines Aufwindkraftwerks:
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Die Gezeitenkraftwerke sind Wasserkraftwerke, welche die Energie des sich ändernden
Wasserspiegels bei Ebbe und Flut nutzten und so durch deren Strömung über die Turbinen
Strom erzeugen. So ist ein Gezeitenkraftwerk ein konventionelles Kraftwerk, da Wasser zu
den erneuerbaren Energieformen zählt, weil es einem ständigen Kreislauf, dem Wechselspiel
von Ebbe und Flut unterliegt. Gezeitenkraftwerke funktionieren durch das Einfließen und das
Ausströmen von Meerwasser, je nachdem ob gerade Ebbe oder Flut herrscht. Die
Meeresbucht wird vom Meer getrennt, sodass der Wasserspiegel auf der einen Seite
niedriger ist, als auf der anderen Seite, wodurch ein Staudamm-Prinzip herrscht. Die
Gezeitenkraftwerke werden oft an Staudämmen, Meeresbuchten und an Flussmündungen
aufgebaut, die einen besonders hohen Tidenhub (Differenz zwischen Hoch- und
Niedrigwasserstand) aufweisen. So fließt das Wasser von dem höheren Wasserstand in den
niedrigeren Bereich. Dabei entsteht eine Strömung, wodurch die Wasserturbinen angetrieben
werden. Da die Turbinen immer in die Richtung, des Wasserflusses angepasst werden,
können diese Wasserturbinen somit bei Ebbe und bei Flut Strom produzieren. Dies erreicht
man, indem man die Rotorenblätter umstellt. Wegen der Tatsache, dass schon ein geringes
Wassergefälle zur Erzeugung des Stroms genutzt werden muss, werden meist KaplanTurbinen eingesetzt. Die Gezeitenkraftwerke können auch überschüssigen Strom anderer
Kraftwerke nutzen, um Meereswasser in den Stauraum zu pumpen, womit zusätzlicher Strom
erzeugt werden kann. So können Gezeitenkraftwerke gleichzeitig auch als
Pumpspeicherkraftwerke genutzt werden.
Die Funktionsweise eines Gezeitenkraftwerkes bei Flut und bei Ebbe:
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Die Gaskraftwerke werden auch Gasturbinenkraftwerke genannt und sind Kraftwerke, die zur
Stromerzeugung dienen. So werden diese Kraftwerke mit Hilfe von Erdölprodukten oder mit
brennbaren Gasen wie beispielsweise Erdgas betrieben. So wird die Gasturbine mit Hilfe
dieser Brennstoffe angetrieben, welche selber den angekuppelten Generator antreibt. Die
Gaskraftwerke haben zwar relativ niedrige Investitionen, aber sie haben durch ihren geringen
Wirkungsgrad hohe Betriebskosten. Die modernen Gaskraftwerke wandeln das Gas in einem
zweistufigen Prozess in Strom um. Aus diesem Grund werden diese Gaskraftwerke auch
Gas-Kombikraftwerke genannt. Als erstens wird das Gas entzündet, wobei die Außenluft bei
der Gasverbrennung komprimiert und unter hohem Druck der Brennkammer zugeführt wird.
Nach der Verbrennung treibt das energiereiche Rauchgas die Gasturbine an, die an einen
Generator gekoppelt ist. So hält die Gasturbine den Generator in Schwung, der wie ein
Dynamo den gewünschten Strom produziert. In dieser ersten Phase werden rund 40 Prozent
der Energie von Gas in Strom umgewandelt. Für die zweite Phase werden die sehr heißen
Abgase, welche circa 550°C sind, aus dem ersten Verbrennungsprozess für die weitere
Stromerzeugung genutzt. So werden die heißen Abgase im Dampferzeuger zu Dampf
generiert, der dann die Dampfturbinen antreibt, welche nach dem Prinzip des
Dampfkochtopfs funktioniert. Durch die Turbine wird nämlich die heiße Luft kontrolliert
abgelassen, wodurch die Turbinen angetrieben werden. So sind in der Regel mehrere
Dampferzeuger in Funktion, welche auf unterschiedliche Temperaturbereichen eingestellt
sind. In der zweiten Phase treiben die Dampfturbinen meistens einen anderen Generator an
als eine Gasturbine. Am Ende hat sich der Dampf auf 50 bis 100°C abgekühlt. Die
Energienutzung kann aber auch nach der zweiten Phase erweitert werden, indem mit der
Abwärme aus dem Gaskraftwerk der Wärmebedarf gedeckt wird. So kann man schließlich
aus diesen drei Stufen 80 Prozent der Primärenergie nutzen. Für die Gaskraftwerke
existieren zwei Bauarten der verwendeten Gasturbinen, die schwere und die leichte Bauart.
Die schwere Bauart wird auch Heavy Duty genannt und ist für eine größere
Stromproduktion(50 MW bis über 340 MW) und für eine lange Lebensdauer unter
Dauerbetrieb ausgelegt. Die leichte Bauart, die auch Aeroderivate genannt wird produziert
weniger Strom, aber sie besitzt eine Schnellstartfähigkeit. Sie werden deshalb beispielsweise
zur kurzfristigen Spitzenlastabdeckung eingesetzt. Die Gasturbinen von der leichteren Bauart
haben eine Leistung von 100kW bis 40MK und besitzen typische Konstruktionsmerkmale von
Flugzeugturbinen. So werden sie bevorzugt in Industriekraftwerken eingesetzt.
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Die Skizze eines Gas- und Dampfkraftwerkes:
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Die Sonnenkraftwerke werden auch Sonnenwärme-/Solarwärmekraftwerke genannt und sind
Kraftwerke, die durch die Energie der Sonne Strom oder Wärme erzeugen. Je nach Funktion
werden die Solarkraftwerke in drei Kategorien eingeteilt: In thermische Solaranlagen, Photovoltaikanlagen und thermische Solarkraftwerke. So dienen die thermischen Solaranlagen
nicht für die Stromerzeugung, sondern für die Erzeugung von Wärme beispielsweise für Heizungen oder Trinkwasser. Diese thermische Solaranlage funktioniert, indem auf die speziell
beschichteten Kollektoren die Sonne scheint und sie erwärmt. In den Kollektoren befinden
sich Rohre mit einer Flüssigkeit oder einem Gas, welches durch die Sonneneinstrahlung erhitzt wird. Dieses Wärmemedium wird über Pumpen oder Ventilatoren zu einem Speicher geleitet. Danach wird die Wärme verwertet und das abgekühlte Medium wird wider in die Kollektoren geführt. In der zweiten Kategorie der Solarkraftwerke kommen die Photovoltaikanlagen dran, welche direkt aus der elektromagnetischen Energie der Sonne Strom erzeugen.
Diese Stromerzeugung geschieht in hauchdünnen Schichten, welche halbleitend sind. Die
Umwandlung erfolgt auf photoelektrischem Wege durch Freisetzen von Elektronen im Innern
eines Stoffes, wie Silizium, Galliumarsenid oder Kadmiumtellurid. So werden innerhalb der
hauchdünnen Schichten die negativen und positiven Ladungen getrennt. Dadurch fließt elektrischer Strom, welcher entweder gespeichert oder direkt in den Stromnetz eingespeist wird.
An der dritten Kategorie der Solarkraftwerke stehen die thermischen Solarkraftwerke, welche
mit Hilfe der Sonne indirekt Strom erzeugen. Die Sonne scheint bei dieser Kategorie auf
große Spiegel und erwärmt dabei eine Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit treibt danach eine Turbine an oder erzeugt über einen angeschlossenen Generator in der Mitte Strom. Da die Sonnenstrahlen eingefangen und gebündelt in einen Empfänger weitergegeben werden, gibt es,
wie schon bereits beschrieben, verschiedene Möglichkeiten die Sonnenstrahlen einzufangen
und zu konzentrieren. So wird entweder eine Parabolschüssel, lange spiegelnde Rillen oder
ein Spiegel verwendet. Die Spiegel werden dabei immer der Sonne zugewandt, so dass sie
möglichst lange bestrahlt werden. Die Wärmeenergie kann dann zum Beispiel Dampf erzeugen, welcher dann die Turbinen und Generatoren zur Stromgewinnung antreibt. Aufgrund der
niedrigen Wirkungsgrade bei Photovoltaikanlagen und deren geringen Strahlungsenergie von
durchschnittlich 114 W/m² würde für ein 1.000 MW Kraftwerk eine Kollektorenfläche von ca.
29 km² erforderlich. Jedoch liegt der Gesamtwirkungsgrad der thermischen Solarkraftwerke
zurzeit bei etwa 30 Prozent.
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Skizze einer solaren Warmwassergewinnung:
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Der Parabolrinnenkollektor:
Die Biogaskraftwerke werden auch Biogasanlagen genannt und werden mithilfe von Biogas
betrieben, das aus der Gärung von verschiedenen Stoffen entsteht. So werden verschiedene
Rohrstoffe wie beispielsweise Gülle, Klärschlamm, Fette, Pflanzenteile oder nachwachsbare
Energiepflanzen wie beispielsweise Mais in einen luftdicht verschlossenen Fermenter (Gärtank) eingebracht. In diesem Gärtank entsteht durch Gär- oder Fäulnisprozesse das Biogas,
welches je nach Ausgangsstoff aus 40-75 % Methan, 25-55 % Kohlendioxid, bis zu 10 %
Wasserdampf sowie darüber hinaus aus geringen Anteilen Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff,
Ammoniak und Schwefelwasserstoff besteht. Bei der Erzeugung von Biogas aus Biomasse
wird als Nebenprodukt Dünger (Substrat) produziert. Die Funktionsweise der Stromerzeugung beruht darauf, dass zuerst das Biogas aus Biomasse in speziellen Anlagen erzeugt
wird. Nach der Produktion des Biogases wird dessen Wasseranteil verringert und zur Entschwefelung wird eine kleine Menge Frischluft eingeblasen. Danach gelangt das Gas in
einen Verbrennungsmotor, der an einen Generator angeschlossen ist und diesen durch die
Verbrennung des Gases antreibt. Der so produzierte Strom wird dann in das Stromnetz eingespeist. Die im Abgas und im Motorkühlwasser enthaltene Wärme wird in Wärmeaustauschern zurückgewonnen. Ein Teil der Wärme wird für die Beheizung des Fernmeters gebraucht. Der Fernmeter braucht diese Wärme, da die Bakterienstämme, welche die Biomasse abbauen, am besten bei Temperaturen von entweder 37°C oder bei 55°C arbeiten. Die
restliche Wärme des Motors kann zur Beheizung von Gebäuden, zum Trocknen der Ernte
(Getreide) verwendet werden. In mehreren Kraftwerken wird das Biogas aufbereitet und ins
Erdgasnetz eingespeist. Damit werden Biogasanlagen auch an Standorten ohne Wärmeabnehmer möglich. Aufbereitetes Biogas kann auch als Treibstoff für gasbetriebene Fahrzeuge
dienen. Die Biogaskraftanlagen sind auch sehr gut für die landwirtschaftlichen Betriebe geeignet, da dort sehr viele Primärenergien vorhanden sind. Außerdem wird durch die Vergärung der Gülle die Düngerqualität im Gegensatz zu Rohgülle verbessert und stinkt nicht
mehr. Außerdem existieren zwei grundsätzliche Verfahren zum Betrieb von Biogaskraftanlagen, nämlich die Nassvergärung und die Trockengärung. Beide Gärungsprozesse haben je
nach Stoffe überlegene oder ungünstige Eigenschaften. In Deutschland ist aber die Nassvergärung am meisten verbreitet, da die meisten Anlagen mit Viehzucht errichtet werden, die zusätzlich Energiepflanzen beifügen. So kommt beispielsweise nur die Nassvergärung für die
Gülle in Frage und gehäckselter Mais kann in beiden Verfahren verarbeitet werden. Die Trockenfermentation dagegen ist nur für den Grünschnitt gedacht, wie er im Garten- und Landschaftsbau anfällt. Die Trockenfermationen können auch die Kompostwerke als Verarbeiter
des Biomülls ablösen, da beide Verfahren mit dem Kompost enden.
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Die schematische Biogasanlage:
Die Skizze des Fernmenters (Gärtank):
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da
Eine selbst erstellte Tabelle zur Effizienz der verschiedenen Kraftwerkstypen:
Kraftwerkstyp:
Effizienz
:
Kohlekraftwerk
Kernkraftwerk
Wasserkraftwerk (groß)
Windkraftwerk
Aufwind
Gezeitenkraftwerke
Gaskraftwerk (GUD)
Photovoltaikanlage
Parabolrinnenkraftwerk
e
Solarturm
Biogaskraftwerke
40%
33%
97%
45%
3%
80-90%
54%
13%
20%
35%
35%
CO2-Emission
in gCO2/kWhel:
Zeitliche
Verfügbarkeit:
typische
Leistung in
MWel:
830
6
16
11
7
k.A.
480
90
17
80%
80%
50%
25%
80%
k.A.
80%
15%
40%
1000
1300
1000
1
200
k.A.
200
0,001
200
8
3
80%
80%
200
50
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erzeugte
elektr. Energie
in 30a pro kW
install.
Leistung:
210 000
210 000
130 000
65 000
210 000
k.A.
210 000
40 000
105 000
210 000
210 000
Investitionskost
en in €/kW:
Stromkosten in
€/kWh:
1000
2000
3000
1000
4000
k.A.
800
4000
3000
0,03
0,05
0,10
0,07
0,10
k.A.
0,03
0,20
0,10
3000
1500
0,10
0,05
Die Stromversorgung innerhalb der Bundesländer und Europa unterscheiden sich sehr, da
nach den Standortbedingungen die Kraftwerke gebaut werden, welche dann für die jeweils
einzelnen Gebiete Strom liefern. So ist beispielsweise Norwegen mit einer Stromerzeugung
von 119TWh der sechstgrößter Wasserkrafterzeuger der Welt. So gewinnt das regenreiche
Norwegen 99% seiner elektrischen Energie aus der Wasserkraft, Österreich 72% und die
Schweiz 58%. Deutschland gewinnt seine elektrische Energie aus vielen verschiedenen
Kraftwerkstypen und nicht wie Norwegen durch ein hauptsächliches Kraftwerk. So gewinnt
Deutschland 36,4% seiner Energie aus Mineralöle, 22,4% aus Naturgase, 13,4% aus Steinkohle,
12,6% aus Kernenergie, 11,4% aus Braunkohle, 3,6% aus erneuerbaren Energien und 0,1%
Sonstiges. Hiermit wird deutlich, dass Norwegen seine Energie durch Ökostrom gewinnt, da
es eine regenreiche Halbinsel ist und dadurch viele Wassermengen zur Verfügung hat. Da
Deutschland aber nicht in so einer vorteilhaften geographischen Lage liegt, ist die Bevölkerung auf andere Kraftwerke angewiesen, welche teilweise nicht so vorteilhaft für die Umwelt
sind, wie es in Norwegen der Fall ist.
Die Geographische Lage von Norwegen im Gegensatz zu Deutschland:
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Es ist für die Umwelt wichtig, auf erneuerbare Energien also auf Ökostrom umzusteigen, da
es einerseits gut für das Klima ist und andererseits eine Versorgungssicherheit anbietet. Jedoch ist es auch wichtig die Vor-und Nachteile der erneuerbaren Energiequellen vor Augen
zu führen. Das zurzeit größte Umweltproblem ist die drohende Klimakatastrophe, da jeden
Tag weltweit rund 65 Millionen Tonnen Kohlendioxid durch den Menschen in die Atmosphäre
geblasen wird. Da diese Anreicherung von Kohlendioxid in der Atmosphäre für eine Erderwärmung sorgt, muss der Kohlendioxidanteil durch die Umstellung auf Ökostrom verringert
werden. Das wichtigste Treibhausgas ist nämlich das Kohlendioxid, was bei der Verbrennung
von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas und Erdöl etc. entsteht. Auch die Versorgungssicherheit kann durch eine stärkere Nutzung von erneubaren Energiequellen versichert werden, da die fossilen Brennstoffe bald zu Ende gehen. Der Fakt, dass wenn man den heutigen
weltweiten Verbrauch und die heute bekannten wirtschaftlich nutzbaren Lagerstätten zugrunde legt und dabei die mutmaßlichen neue Funde nicht berücksichtigt, so reichen nach Schätzung die Weltvorräte von Erdöl 43 Jahre, von Erdgas 66 Jahre und die Braun-und Kohlevorräte noch zirka 170 Jahre aus. Aufgrund dieser Tatsachen muss der Anteil an Ökostrom erhöht werden. Zur künftigen CO2-Vermeidung und zur Sicherung der Energieversorgung bieten sich grundsächlich zwei Wege an. Der erste Weg ist das Energiesparen und der zweite
Weg ist der Umstieg auf CO2-freie bzw. CO2- neutrale Energiequellen wie die erneuerbare
Energieressourcen Sonnen-, Wind-, Wasserkraft, Erdwärme und Biomasse und die konventionelle Energiequelle Atomenergie. Jedoch ist der Grund für die geringe Nutzung erneuerbaren Energiequellen nicht nur in den historischen Gegebenheiten zu suchen, sondern es basiert auch auf die prinzipiellen physikalischen Nachteilen, wie beispielsweise die geringe Effizienz. So müssen beispielsweise sehr große Solarkollektorflächen aufgestellt werden oder
sehr viele Windräder installiert werden, damit nennenswerte Energiemengen produziert werden können. Die Folge ist ein hoher Materialeinsatz, der hohe Kosten und nicht vernachlässigbare Umweltbeeinflussungen nach sich zieht. So wird daraus deutlich, dass eine Energieversorgung ausschließlich auf der Basis der erneuerbaren Energiequellen nicht möglich sein
wird, da beispielsweise die Sonne nicht unbedingt dann scheint, wenn Strom benötigt wird.
Erneuerbare Energiequellen können also aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nur
einen zusätzlichen Beitrag zum Energieverbrauch leisten. Jedoch sollte man versuchen soviel wie möglich Ökostrom zu verwenden, wie zum Beispiel durch einen Sonnenkollektor auf
dem eigenen Haus, um seinen eigenen Beitrag für die Verringerung des CO2-Ausstoßes zu
geben.
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Diagramme zu erneuerbaren Energien:
1.
2.
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3.
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Um die ökologische Gesamtbillanz der verschiedenen Kraftwerkstypen zu bestimmen, werde
ich zunächst die Vor-und Nachteile der einzelnen Kraftwerkstypen beschreiben. Der Vorteil
von Kohlekraftwerken liegt im verwendeten Brennstoff, da die Vorräte für Steinkohle noch
etwa für 200 Jahre ausreichen. Dies ist wesentlich länger als beispielsweise beim Erdöl. So
ist auch die Kohle für Deutschland günstiger, da sie nicht importiert werden muss. Außerdem
besitzt ein Kohlekraftwerk hochentwickelte Technologie und große Einheitsleistungen von
600 bis 1200 MW. Zudem hat Kohle stabile Brennstoffkosten. Jedoch haben die Kohlekraftwerke auch viele ökologische Nachteile, da diese Kraftwerde als Primärenergie erschöpfbare
fossile Brennstoffe benutzten. So entsteht bei der Verbrennung eine sehr hohe Schadstoffstoffausstoß (CO2-Emissionen), dieses Abfallprodukt beeinträchtigt sehr die Umwelt.
Der größte Vorteil für die Kernkraftwerke sind die konkurrenzlosen niedrigen Spaltstoffverbrauche, da eine Tonne Spaltstoff die gleiche Energie liefert, wie zwei bis drei Tonnen Kohle.
Ein weiterer Vorteil ist die ausreichend vorhandenen Menge an Kernbrennstoffen. Da es für
die Kernkraftwerke nicht notwendig ist, die Rohstoffe vor Ort zu haben, können diese Kraftwerke standortunabhängig errichtet werden. Dies ist ein Vorteil, wenn man an die hohen
Transportkosten für Öl oder Kohle zu Raffinerien und Kraftwerken bedenkt. So herrscht eine
hohe Umweltverträglichkeit, da bei der Produktion kein Kohlendioxid (CO2) als Abfallprodukt
entsteht. Jedoch gibt es auch bei diesem Kraftwerk große Nachteile, die der Umwelt schaden
können. Das entscheidende Problem bei der Nutzung von Atomenergie in Kernkraftwerken
ist die hohe radioaktive Verschmutzung der Brennelemente nach dem Einsatz im Reaktor,
welches eine kostenintensive und durchdachte Endlagerung verlangt. Außerdem hinterlassen
die Kernkraftwerke radioaktive Abfälle für Jahrzehntausende, welches ebenfalls die Umwelt
schadet. So kann es auch in einem Kernkraftwerk zu atomaren Unfälle kommen, welche zu
unvorhersehbaren Langzeitschäden der gesamten Flora, Fauna sowie der Atemluft und Bodengesundheit führen. Als letzter negativer Aspekt ist die nicht erneuerbare Energieform,
welche die Kernkraftwerke für die Stromerzeugung benutzen.
Der größte Vorteil für die Wasserkraftwerke ist, dass bei der Stromproduktion keinerlei Abfälle gibt, wodurch keine Treibhausgase entstehen, welche die Natur beeinflussen könnten. Außerdem wird der Müll, der sich im Wasser befindet durch den Rechen des Kraftwerkes aufgefangen und danach entsorgt. Noch ein Vorteil ist die Regulation des Flusses, womit Hochwasser vermieden werden kann. Das Wasser wird nicht verbraucht und bleibt immer vorhanden, da es zu den erneuerbaren Energien gehört. Dadurch muss nicht auf genügend Ressource geschaut werden. Die Nachteile sind, dass durch den Bau eines Wasserkraftwerkes
das natürliche Gleichgewicht des Flusses verändert wird und dass die Fische durch die Turbinen sterben. So besteht auch die Gefahr, dass der Damm bricht, was verheerend wäre. So
kann auch bei großen Staudämmen Versandungen auftreten, wodurch er seine Staukapazität verliert.
Der größte Vorteil für die Windkraftwerke ist der emissionsfreie Betrieb, wodurch keine Umweltverschmutzung im Vergleich zu den anderen Kraftwerken herrscht. So sind die Windkraftwerke rohstoffunabhängig, da sie mit den erneuerbaren Energieträgern funktionieren. So
sind auch die Einrichtungskosten für Windkraftwerke recht billig. Der Nachteil dabei ist die
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Verwüstung der Natur durch die Verbauung der vielen und hohen Anlagen. Außerdem
herrscht eine Geräuschbelastung für die unmittelbare Umgebung und eine Beeinträchtigung
der Empfängergeräte im Windschatten. Hierzu kommt die unregelmäßige Energieträge der
Kraftwerke durch die unterschiedliche Windstärke.
Der größte Vorteil für die Gezeitenkraftwerke ist das Wasser, da es in riesigen Mengen vorliegt und aufgrund der Nutzung der Strömung nicht verbraucht wird. So entsteht auch bei der
Stromproduktion kein Kohlendioxid (CO2) und somit auch keine Umweltverschmutzung. Aufgrund der Tatsache, dass Wasser eine erneuerbare Energieform ist, besteht nicht die Gefahr,
dass die Quelle aufgebraucht wird. Die Nachteile liegen darin, dass Ebbe und Flut nur alle
zwölf Stunden auftreten und somit immer zwischendurch Zeiten ohne Stromproduktion entstehen. Außerdem müssen die Turbinen aufgrund des Salzwassers regelmäßig ausgetauscht
werden, was wiederum Geld kostet. Da es nicht viele Orte gibt, an denen ein effizientes Gezeitenkraftwerk errichten werden kann, können diese Kraftwerke nur einen geringen Anteil
des Strombedarfs decken. Außerdem stellen die Gezeitenkraftwerke einen tiefen Eingriff in
die betroffenen Ökosysteme dar, da der Damm beispielsweise eine unüberwindbare Barriere
für Meeresbewohner ist und die Dynamik der Wasserstände wird durch die Wasserstauung
gestört.
Die Gaskraftwerke haben den Vorteil, dass sie sich sehr schnell hochfahren lassen. Aufgrund
dieser Schnellstartfähigkeit können diese Kraftwerke für die kurzfristigen Spitzenbelastungen
eingesetzt werden. So ist der Bau dieser Gaskraftwerke relativ günstig, aber sie haben durch
den geringen Wirkungsgrad hohe Betriebskosten. Sie haben den Vorteil, dass die Abgase
der Turbinen beim Verlassen noch eine hohe Temperatur besitzen, wodurch sie zur Beheizung eines Dampfkessels im Gas-und Dampfturbinenkraftwerke verwendet werden. Die
Nachteile sind natürlich die CO2-Abgabe und die Tatsache, dass Erdgas ein fossiler Brennstoff ist, womit die Nachhaltigkeit ein Problem sein kann.
Die Sonnenkraftwerke haben den Vorteil, dass die Sonne soviel Energie produziert, dass diese Kraftwerke immer genug Strom oder Wärme erzeugen können, ohne in die Knappheit zu
geraten. So können die Sonnenkraftwerke sowohl Wärme als auch Strom erzeugen. Außerdem entsteht bei der Produktion von Strom kein Kohlendioxid (CO2), welches eine sehr wichtige Eigenschaft für sie Umwelt ist. Während Kohle und Öl schädliche Abfallprodukte an die
Umwelt abgeben, ist das bei der Energiegewinnung durch die Sonne nicht der Fall. Außerdem haben diese Kraftwerkstypen niedrigere spezifische Investitionskosten. Jedoch besitzen
sie auch die Nachteile, dass sie hohe Betriebs- und Wartungskosten haben. So ist auch die
Speicherung von Sonnenenergie sehr schwierig und hat einen hohen Geldaufwand.
Die wichtigsten Vorteile für die Biogaskraftwerke sind, dass Biogas aus erneuerbaren, nachwachsenden, örtlich verfügbaren Rohstoffen erzeugt wird und dass dies eine CO2-neutraleEnergieerzeugung ist. So wird die Umwelt durch CO2 Abgasen nicht verschmutzt. Außerdem
kann das Methan gereinigt werden und dann als Kraftstoff für Fahrzeuge benutzt werden. So
besitzen die Biogaskraftwerke eine steuerbare Leistung, da eine Anpassung an den Bedarf
herrscht. Sie verbessern auch die Qualität des Düngers, da Rohgülle allein nicht so effektiv
ist. Die Nachteile wiederum sind, dass nur gasdichte Anlagen klimafreundlich sind, da Methan eine 32-mal so hohen gewichtsbezogenes Treibhauseffekt wie Kohlendioxid hat. Der
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gezielte Anbau von Energiepflanzen kann auch ökologische Probleme nach sich ziehen, da
die Gefahr auf Monokulturen und intensive Landwirtschaft sehr hoch ist. Außerdem entstehen ziemlich hohe Kosten durch großen Investitionsaufwand.
So kann man grob sagen, dass die erneuerbaren Kraftwerke deutlich wenige ökologische
Probleme vorbereiten als die konventionellen Kraftwerke.
Primärenergieverbrauch in Deutschland 2005 nach Energieträgern:
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http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik
http://www.schulwiki.org
http://www.dpg-physik.de
http://www.kernenergie.de
http://www.bundesregierung.de
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