Wie wird Strom erzeugt?

Elektrische Energie, umgangssprachlich Strom genannt, wird durch Umwandlung aus anderen Energieformen erzeugt. Wobei „erzeugt“ streng physikalisch genommen nicht richtig ist, denn Energie kann nicht einfach entstehen, sondern nur aus einer Energieform in eine andere umgewandelt werden.

Ein einfaches Beispiel ist der Fahrraddynamo. Durch die Bewegung des Rades dreht sich eine im Dynamo enthaltener Permanentmagnet in einer feststehenden Induktionsspule. Dadurch wird ein Stromfluss erzeugt, der die Fahrradlampe zum Leuchten bringt. Ungefähr dasselbe Prinzip verwendet auch ein Kraftwerksgenerator.

Kraftwerke werden nach der Art, wie in ihnen Strom gewonnen wird, unterschieden. Die Energieform, die eine Turbine antreibt und mit der ein Generator in Bewegung gesetzt wird, fungiert dabei als Namensgeber. Auf diese Weise kann zwischen Wasserkraftwerken, Windkraftwerken, Solaranlagen, Biomassekraftwerken, Gasturbinenkraftwerken, Kernenergieanlagen, Kohlekraftwerken und vielen anderen Arten unterschieden werden.

Wasser als Energieerzeuger

1) Einer der drei Maschinensätze, jeweils mit Pumpe (blau), Generator (orange), Turbine (grün) 2) Wasser wird in das Speicherbecken gepumpt und fließt aus dem Speicherbecken zur Turbine 3) Wasser 4) Netzanschluss 110 kV 5) Rohrleitungen 6) Speicherbecken

Ganz ohne Verbrennungsprozesse kommen Wasserkraftwerke aus. Ihre Turbinen werden durch die Bewegungsenergie, die zum Beispiel fließenden Gewässern enthalten ist, angetrieben. Diese setzt den Generator in Gang, der sie in elektrischen Strom umwandelt. Um eine höhere Fließgeschwindigkeit und damit ein höheres Energiepotenzial des Wassers zu nutzen, befinden sich Wasserkraftwerke oft in Gebirgen. Eine besondere Art der Wasserkraftwerke sind Pumpspeicherkraftwerke. Sie können Strom erzeugen und gleichzeitig Energie speichern. Wenn ein Überschuss an Strom herrscht, wird Wasser über Rohrleitungen in einen höhergelegenen Obersee gepumpt. Wird Strom benötigt, so fließt das Wasser vom Oberbecken in das Unterbecken und treibt dabei die Turbine an, die auch hier an den stromerzeugenden Generator gekoppelt ist.

Wind als Antriebsquelle zur Stromerzeugung

1) Rotorblätter: Moderne Rotorblätter sind verstellbar und aerodynamisch wie Flugzeugflügel geformt. Bei Wind entsteht vor und hinter ihnen ein Druckunterschied. Dadurch wird der Rotor in Bewegung gesetzt. 2) Turm: Bei modernen Anlagen ist der Turm über 100 Meter hoch. An seiner Spitze sitzt die Gondel. Im Inneren befinden sich unter anderem Aufstieg und Fahrstuhl für das Wartungspersonal. 3) Kabel: Im Inneren des Turms verläuft ein Kabel, mit dem der erzeugte Strom zum Umspannwerk transportiert wird. 4) Gondel: In der Gondel, dem Maschinenhaus einer Windenergieanlage, befindet sich unter anderem die Rotorwelle. Sie treibt einen Generator an, der Elektrizität erzeugt. Ein sogenanntes Windnachführungsgetriebe sorgt automatisch dafür, dass sich die Turbine für die optimale Leistung in den Wind dreht.

Auch bei der Nutzung der Windkraft wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Sobald die Rotoren der Windräder drehen, übernehmen sie gewissermaßen die Rolle der Turbine und treiben einen Generator an, der Strom erzeugt. Mittels eines Automatiksystems wird die Turbine jederzeit in die Richtung des Windes gedreht. So können Winde aus verschiedenen Richtungen zur Energieerzeugung genutzt werden.

Ein großer Windpark kann aus hunderten Windenergieanlagen bestehen, die über Kabel an ein gemeinsames Übertragungssystem angeschlossen sind. Zwischen den einzelnen Windenergieanlagen eines Windparks besteht eine Distanz von vier bis zehn Rotordurchmessern. Auf diese Weise können Effizienzverluste minimiert werden, die durch Turbineninterferenzen, dem sogenannten Nachlaufeffekt, verursacht werden.

Bei Blitzen oder Windstille stellen die Turbinen auf den Standby-Modus um. Sobald jedoch eine Windgeschwindigkeit von etwa 4 m/s (Windstärke 3) erreicht wird, setzt sich die Turbine automatisch wieder in Gang. Die volle Auslastung der Turbine wird bei Winden von 12 bis 14 m/s erreicht (Windstärke 6). Steigt die Windgeschwindigkeit auf etwa 30 m/s (Windstärke 11), schaltet sich die Turbine automatisch ab, um Schäden an der Anlage zu vermeiden.

Sonne und der photovoltaische Effekt

Die Solarzelle – auch Photovoltaikzelle –  genannt wandelt durch Verwendung des photovoltaischen Effekts Sonnenenergie direkt in Elektrizität um: Durch die Beleuchtung der Vorderseite der Solarzelle entsteht eine elektrische Spannung zwischen der Vorder- und Rückseite der Zelle. Die einzelnen Zellen produzieren eine niedrige Gleichspannung von jeweils etwa 0,5 V. In Reihe geschaltete Solarzellen bilden Solarpaneele. Die Spannung wird somit auf einen für die Stromerzeugung angemessenen Pegel erhöht. Mit Hilfe eines Wechselrichters wird die Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt und ist so leichter „transportfähig“. Lange Zeit fanden Solarzellen vorwiegend in kleineren Anlagen, beispielsweise auf Hausdächern von privaten Eigenheimen, Anwendung. Inzwischen nimmt auch die Anzahl größerer (gewerblicher) Anlagen auf großen Hallendächern und auf Freiflächen deutlich zu.

Strom erzeugen durch den Brennstoff Biomasse

Auch in Biomassekraftwerken wird durch die Verbrennung in einem Kessel zunächst Dampf erzeugt, der eine Turbine und einen Generator antreibt. Wie bei der Verfeuerung von fossilen Brennstoffen wird auch bei der Biomasseverbrennung Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben. Biomasse bindet jedoch während der Wachstumsphase CO² durch den Prozess der Photosynthese. Das bei der Biomasseverbrennung freigesetzte Kohlendioxid wird somit durch nachwachsende Biomasse absorbiert. Biomasse ist daher bei ordnungsgemäßer Bewirtschaftung langfristig CO2-neutral.

Strom erzeugen durch den Brennstoff Gas

1) Generator 2) Luftansaugkanal 3) Lufteinlaufgehäuse 4) Ausblaskanal für Verdichter 5) Ringbrennkammer 6) 5-stufige Gasturbine 7) Turbinen-/ Brennkammergehäuse 8) Rauchgaskanal 9) 21-stufiger Verdichter 10) Verdichtergehäuse

Gaskraftwerke funktionieren ebenfalls nach dem klassischen Prinzip des Antriebs einer Turbine durch Wärme. In reinen Gasturbinenkraftwerken dient das Erdgas selbst als Brennstoff. Es wird in der Gasturbine unter Druck entzündet und verbrannt. Das so entstandene Gasgemisch treibt eine Turbine an, die an einen Stromgenerator gekoppelt ist. In den mit Gas befeuerten Dampfkraftwerken wird mit dem heißen Brenngas Wasser erhitzt. Der so entstehende Dampf treibt die Turbine an. Moderne Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (kurz GuD-Kraftwerke) kombinieren diese beiden Prozesse und nutzen die heißen Gase aus der Gasverbrennung einfach ein zweites Mal, um damit einem so genannten Abhitze-Dampfkessel Wasserdampf zu erzeugen und eine weitere Turbine anzutreiben. Die Bewegungsenergie beider Turbinen wird schließlich an den Generator übertragen, der daraus Strom erzeugt.

Strom erzeugen durch den Brennstoff Kohle

1) Kohlelager 2) Förderband 3) Mühle 4) Brennkessel 5) Rauchgasreinigung 6) Schornstein 7) Turbine 8) Kondensator 9) Wasseraufbereitung 10) Asche 11) Generator

Bei der Stromerzeugung mit Kohle vollzieht sich folgende Energieumwandlungskette: Im Kraftwerkskessel wird Kohle verbrannt. Die dabei entstehende Hitze verwandelt Wasser in Wasserdampf. Dieser treibt riesige Schaufelräder an – das sind die Turbinen. Sie hängen an einem Generator, der durch die Drehung der Turbinen Strom erzeugt. Bewegungsenergie wird so in elektrische Energie umgewandelt. Häufig dient die Wärme des Dampfes zusätzlich zur Stromerzeugung auch noch zur Beheizung von Gebäuden, zur Warmwasserbereitung oder als Prozesswärme für die Industrie. In diesem Fall spricht man von → Kraft-Wärme-Kopplung. Das geht natürlich nicht nur bei Kohle, sondern auch bei der Verbrennung von anderen Brennstoffen, wie zum Beispiel Gas oder Biomasse.

Kernenergie

1) Reaktor 2) Brennstoffbehälter 3) Druckbehälter 4) Dampferzeuger 5) Turbine 6) Kondensator 7) Generator 8) Wasser

In einem Kernkraftwerk wird durch die Energie durch Spaltung von Atomkernen erzeugt. Während des Prozesses werden Uran-Atomkerne mithilfe von Neutronen gespalten, welche mit den Atomen kollidieren. Dabei werden neue Neutronen freigesetzt, die wiederum andere Atomkerne spalten können. Auf diese Weise wird eine Kettenreaktion in Gang gesetzt. Als Brennstoff in Kernkraftwerken wird in der Regel ein spezielles Isotop des chemischen Elements Uran verwendet, das Uran-235. Der Kernspaltungsprozess wird durch den Einsatz von Steuerstäben reguliert, welche die freigesetzten Neutronen absorbieren, wodurch die Reaktionsrate der Kettenreaktion verringert oder vollständig unterbrochen werden kann.

Mit Hilfe dieses Prozesses wird Wasser erwärmt, sodass Wasserdampf entsteht. Der Wasserdampf wird zum Antrieb einer Turbine genutzt, welche wiederum einen Generator antreibt, der den Strom erzeugt.

Es gibt viele verschiedene Arten von Kernreaktoren, am gebräuchlichsten sind jedoch der Druckwasser– und der Siedewasserreaktor.

Weitere Kraftwerksformen

Neben den hier genannten Kraftwerken gibt es noch viele weitere Kraftwerksformen wie Geothermiekraftwerke, Gezeitenkraftwerke oder Brennstoffzellenkraftwerke.

Übrigens: Welche Typen Vattenfall in welchen Ländern betreibt, erläutert die gerade neu überarbeitete Kraftwerkskarte.