Erzeugung elektrischer Energie

Erzeugung elektrischer Energie
Physik Oberstufe

Die Elektrizität, die wir für Maschinen, Geräte, Beleuchtung usw. benötigen, muss genau in dem Zeitpunkt erzeugt werden, in dem wir sie verbrauchen.
Elektrische Energie lässt sich also nicht so ohne weiteres speichern. Wir beziehen die meiste unsere elektrische Energie aus Großkraftwerken.

Wie funktioniert ein Elektrizitätswerk?

Das Kernstück eines jeden Elektrizitätswerkes ist der Generator. Dieser wird durch mechanische Energie angetrieben und liefert elektrische Energie. Der Generator wandelt dabei mechanische Energie in elektrische Energie um.

Das Wärmekraftwerk:

Den größten Teil der elektrischen Energie erzeugen heutzutage Wärmekraftwerke. Fossile oder Kernbrennstoffe erzeugen dabei im Kessel Dampf von hohem Druck und hoher Temperatur. Dieser Dampf treibt dann eine Turbine an. Die Turbine liefert die mechanische Energie, sie treibt den Generator an. Der Generator wandelt folglich mechanische Energie in elektrische Energie um.

Der Kesselkreislauf:

Der Dampf gibt den größten Teil seiner Energie in der Turbine ab. Er verlässt die Turbine also mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck. Dieser Dampf muss in Form von Wasser wieder zurück in den Kessel gepumpt werden. Dazu ist es nötig, den Dampf zu Wasser zu kondensieren. Das geschieht im Kondensator. Im Kühlturm und Flusswasser wird das Wasser anschließend gekühlt.

ele_060



Definition Wirkungsgrad bei der Energieerzeugung

Der Wirkungsgrad wird berechnet, indem die abgegebene elektrische Energie durch die zugeführte Energie dividiert wird.

Große Wärmekraftwerke haben einen Wirkungsgrad von etwa 40 %. Mit anderen Worten, wenn man 1000 kg Kohle verbrennt, entsteht daraus etwa 400 kg Elektrizität, die restliche Energie (600 kg Kohle) kann man nicht nutzen. Diese Energie heizt die Umwelt auf. Deshalb ist es nicht sinnvoll, mit Elektrizität zu heizen. Sondern man kann die Abwärme als Fernwärme nutzen,  dies nennt man Kraft-Wärme-Kopplung. Dadurch wird auch der Wirkungsgrad erhöht.

Ein 540 MW Kraftwerk verbraucht in der Stunde etwa 120 t Kohle. Für 1000 MW sind es 240 t Kohle oder 140 t Öl oder 200000 m3 Erdgas oder 4 kg Uran.

Kernkraftwerk

Bei der Kernspaltung entsteht Wärme, diese treibt die Turbine an. Da bei der Kernspaltung das Kühlwasser stark radioaktiv wird, gibt es einen zweiten Kühlkreislauf. Kernkraftwerke benötigen einen sehr hohen Sicherheitsstandard, deshalb ist ihre Technologie sehr aufwendig. Deren Versagen haben wir zum Beispiel in Tschernobyl und Fukushima erlebt. Außerdem ist bis heute nicht geklärt, wo und wie man die abgebrannten Kernbrennstoffe entsorgen kann.

Dieselkraftwerk

In einem Dieselkraftwerk treiben große Dieselmotoren den Generator an. Hier ist der Wirkungsgrad noch schlechter, ca. 30 %.

Wind- oder Wasserkraftwerke

In Wind  oder Wasserkraftwerken treiben Wind- oder Wasserkraft den Generator an. Dabei entsteht keine Abwärme.

Sonnenkraftwerk

In einem Sonnenkraftwerk liefert die Sonne die Energie zur Erzeugung des Dampfes. Ein Spiegelsystem konzentriert dabei die Sonnenenergie auf einen Punkt. Dadurch entsteht keine zusätzliche Abwärme.

Kraftwerk mit Solarzellen

Solarzellen wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um. Man setzt sie zum Beispiel bei Satelliten im Weltraum ein. Mittlerweile findet man sie auch auf Dächern von Wohnhäusern und Solarparks. Anfangs waren sie sehr teuer, durch die Weiterentwickling sind sie allerdings immer preiswerter.



Biogaskraftwerk

in einem Biogaskraftwerk vergären Bioabfall oder nachwachsbare Energiepflanzen wie zum Beispiel Mais. Dabei entsteht Methangas, das man wie in einem Wärmekraftwerk verbrennen kann.

Energieerzeugung durch thermische Abfallverwertung

Man kann auch Energie gewinnen, indem man Abfall verbrennt. Die meisten Anlagen arbeiten mit Kraft-Wärme-Kopplung. Der erzeugte Dampf kann dabei sowohl zur Stromerzeugung genutzt als auch ins Fernwärmenetz eingespeist werden. Dadurch entstehen wenige klimarelevanten Emissionen, da man Primärenergieträger wie Kohle, Gas und Erdöl eingespart. Ein Teil des Abfalls hat einen biogenen Ursprung wie Holz, Papier und Pappe. Werden diese verbrannt, geschieht das klimaneutral, es werden also keine zusätzlichen CO2-Emissionen verursacht.


Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge aus der Oberstufenphysik.

Diese und weitere Unterrichtsmaterialien gibt es in unserem Shop Pakete mit vielen PDF-Datei ab 1 Euro und für Lehrer als WORD-Dateien, die sie beliebig ändern können.