Erzeugung von elektrischer Energie allgemein und anhand verschiedener Beispiele

1. Die Energie

1.1 Was ist Energie

Führt man einem Körper mechanische Arbeit zu, dann ändert sich der physikalische Zustand des Körpers: Eine gespannte Feder kann einen an ihr befestigten Körper beschleunigen, also Beschleunigungsarbeit verrichten; ein durch Arbeitsverrichtung beschleunigter Wagen kann eine schiefe Ebene bergauf fahren und damit Hubarbeit verrichten. Körper unterscheiden sich also dadurch, in welchem Maß ihnen Arbeit zugeführt wurde.
Das Maß dafür ist die Energie E.
Durch Zufuhr oder Abgabe von Arbeit wird die Energie eines Körpers oder die Gesamtenergie eines Systems materieller Punkte erhöht oder erniedrigt.

Energie ist also die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten. Energie und Arbeit haben die gleiche Einheit, das Joule.

1.2 Arten von Energie

Energie kann grundsätzlich unterschieden werden in:

  1. Primärenergie
  2. Sekundärenergie
  3. Endenergie
  4. Nutzenergie
Primärenergie

Unter Primärenergie versteht man die Energieinhalte der in der Natur vorkommenden Energieträger, die zum Zwecke der anthropogenen (durch den Menschen beeinflusst, verursacht) Energieumwandlung eingesetzt werden können. Man unterscheidet

  • erschöpfliche Primärenergieträger
  • unerschöpfliche Primärenergieträger

Erstere sind die fossilen und nuklearen Energieträger, wie z.B. Kohle/Erdöl/Erdgas und Uran/Thorium/Plutonium.
Die regenerative (unerschöpfliche) Primärenergie lässt sich grob in drei Gruppen unterteilen:

  1. Sonnenenergie
  2. Geothermische Energie
  3. Gezeitenenergie

Wind und Wasserkreislauf entstehen durch die Strahlung der Sonne, sind also streng genommen bereits umgewandelte Energien, zählen aber noch zu den Primärenergieträgern.

Sekundärenergie
Unter Sekundärenergie versteht man eine Energie, die durch eine vom Menschen verursachte und beabsichtigte Umwandlung bereitgestellt wurde.
Das ist z.B. die mechanische Energie eines Windenergiekonverters, die elektrische Energie die ein Wasserkraftwerk liefert, die thermische Energie einer Wärmepumpenanlage und die chemische Energie einer Biogasanlage.

Endenergie
Mit Endenergie wird die Energie am Ort des Verbrauchs, z.B. Strom aus der Steckdose oder Benzin im Tank bezeichnet.

Nutzenergie
Hierunter versteht man eine Energie, die beim Energiebenutzer zur Verfügung steht und Ziel seiner Nutzung ist.
Beispiele hierfür sind Wärme oder Kälte, Licht, mechanische Arbeit und Schall.

Energieverbrauch - Haushalt 2000

39% Erdgas

34% Heizöl

10% Kohle

05% Elektrische Energie

  • 51%  Heizung
  • 34%  Fahrzeug
  • 08%  Warmwasser
  • 04%  Kühlschrank
  • 02%  Kochen
  • 01%  Licht
Anteile der Energieträger an der Bruttostromerzeugung 1999 in Deutschland - Tabelle, Kernenergie überwiegt mit 31%, es folgen Braun- und Steinkohle

2. Die Tendenzen

Weltweit ist der Energieverbrauch zwar steigend, aber insbesondere in den westlichen Industrieländern verläuft der Anstieg langsamer als z.B. in den Entwicklungsländern.

Gründe sind in verschiedenen Entwicklungen zu suchen. Zum einen wird durch technischen und wirtschaftlichen Neuerungen der Energieanstieg verlangsamt - Auf der anderen Seite wächst die Weltbevölkerung besonders in Asien und den Entwicklungsländern, wo nun auch ein Anstieg des pro-Kopf Bedarfs an Energie zu verzeichnen ist.

Bruttostromerzeugung in Deutschland nach eingesetzten Energieträgern - Tabelle, Kernenergie überwiegt, es folgen Braun- und Steinkohle

An der Grafik kann man wieder die Dominanz der Energieträger Kohle und Kernenergie bei der Stromproduktion erkennen. Man sieht allerdings auch, dass der Anteil von Braunkohle seit einem Jahrzehnt konstant abnimmt, und der Anteil an Erdgas deutlich zunimmt. Der bereits geringe Anteil von Heizöl nimmt weiter ab.

Anteile der Energieträger am Energieverbrauch - Tabelle

3. Energiebereitstellung

Schaubild zur Energiebereitstellung - Eingegangen wird auf Spitzen- Mittel- und Grundlast

Es muss zu jeder Zeit soviel Energie bereitgestellt werden, wie gebraucht wird, da man Energie schlecht in solchen Größenordnungen speichern kann. Da der Endergiebedarf stark zeitabhängig schwankt, gibt es verschiedene Kraftwerkstypen.

Grundlastkraftwerke:

Grundlast erfordert einen Dauerbetrieb der eingesetzen Kraftwerke, welche diese sichern. Häufig für diese Aufgaben werden Laufwasserkraftwerke sowie Kohle- und Nuklearkraftwerke eingesetzt.

Mittellastkraftwerke:

Mittellast ist der Leistungsanteil, der während des Tages durch zusätzliche Mittellastkraftwerke erbracht werden muss, das können Kohle-/Gas- sowie Erdölkraftwerke sein.

Spitzenlast:

Spitzenlast tritt zu bestimmten Zeiten auf und wird duch Spitzenlastkraftwerke abgesichert, welche zum Beispiel Seicherwasserkraftwerke sowie Öl-/Gaskraftwerke sein können.

4. Beispiele

4.1 Wärmekraftwerke:

Es gibt 2 Arten von Wärmekraftwerken, zum einen die Fosilbetreuten (Öl, Gas, Kohle) und zum anderen die Kernkraftwerke (Uran). Prozentual gab es in Deutschland im Jahre 1999 folgende Verteilung: 32% Kernenergie ; 31% Braunkohle ; 26% Steinkohle

Kraftwerk Allgemein:

In einem Kraftwerk werden Kräfte und Energien in elektrische Energie umgewandelt. Allgemein werden Rohstoffe, wie Kohle, Erdöl/-gas und Biomasse, in einem Kessel verbrannt. Der liefert dann die nötige Wärmeenergie, die benötigt wird um Wasser in Wasserdampf "umzuformen". Der Wasserdampf wird durch mindestens eine Turbine geleitet, die dann einen Generator antreibt und der Generator, durch Induktion Strom erzeugt. Das Schema verdeutlicht noch einmal die Prozesse, so ist also zu sagen, das eine Umwandlung von Energien erfolgt.

chemische Energie (Öl, Kohle, Uran) -> thermischer Energie (Dampf) -> mechanische Energie (Turbine [kinetische Energie]) -> elektrischer Energie (Generator)

Der grobe Aufbau eines Kraftwerks lautet dann wie folgt, es besteht aus einer Brennkammer, einen Wasserkreislauf (mit Kühlturm), einer Turbine und aus einem Generator.

Schaubild zu einem Kernkraftwerk - schematischer Aufbau Gefahren:
  1. Bei einem Kohlekraftwerk gibt es die Gefahr eines sauren Regens, zudem begünstigen sie die Entstehung eines "Ozonlochs".
  2. Bei den Kernkraftwerken gibt es die Gefahr einer unkontrollierten Kernspaltung.
  3. Problematisch ist zudem die Endlagerung der Brennstäbe und der Sicherheitsaspekt allgemein(z.B. Terroranschläge)

Die Brennkammer

Sie ist bei den bekannten Kraftwerken eigentlich, das Element, was etwas variiert. Die anderen Bauteile sind zueinander, bei den verschiedenen Kraftwerksarten, nahezu gleich, diese werden deshalb für alle Arten zusammen erklärt.

Bei einem Kohlekraftwerk, wird aus Kohle, Kohlestaub hergestellt, der dann in die Brennkammer eingeblasen wird und somit einen höheren Heizwert erreicht. Die Asche wird dann Unterirdisch abtransportiert.

Erdgas Brennkammer funktionieren ähnlich, wie die bei dem Kohlekraftwerk, nur das keine Asche entsteht und Gas einströmt.

Bei dem Erdöl laufen die Rohre durch eine Brennkammer die mit mehreren Brennern ausgestattet ist, hier entstehen, wie beim Gas, bei der Verbrennung Abgase.

In der Brennkammer bzw. im Kessel sind Rohre verlegt in denen Wasser transportiert wird. Das Wasser wird eigentlich zur Kühlung eines Prozesses genutzt. Hier nutzt man dieses System gewollt für die Umwandlung von Wasser in Wasserdampf, um die Turbinen (siehe im folgenden Text) anzutreiben. Der Dampf der übrig bleibt wird teilweise in eine andere Turbine (so wie er ist oder noch einmal zwischen erhitzt) weitergeleitet, sofort wieder in die Rohre der Brennkammer mit eingeleitet oder er kommt zu einen Kühlturm (siehe Bild), wo das Wasser zu einem Teil in die Atmosphäre gelangt und zum anderen als Wasser wieder in den Prozeß eingeleitet wird oder in einen Fluß abgelassen wird. Zu der Brennkammer gehört eine umfassende Filteranlage (Rauchgasentschwefelung), um die bei der Verbrennung entstandenen Gase möglichst so zu reinigen, das kaum noch Schadstoffe in die Atmosphäre gelangen. Bei der Rauchgasentschwefelung gibt es einen Absorptionsprozeß, um Schwefeloxide heraus zu filtern. Die heraus gefilterten Schadstoffe werden dann meist in Form von Gips gebunden, der Gips kann dann als Baumaterial dienen bzw. die anderen Endprodukte werden meist auch weiterverarbeitet. In der Tabelle sind einige Verfahren zur Rauchgasentschwefelung, mit ihren Endprodukten, aufgeführt. 

Rauchgasentschwefelung - Tabelle mit verschiedenen Verfahren und Endprodukten

Die Dampfturbine

Eine Turbine ist eine Maschine in der die Strömungsenergie von Wasser, Dampf, Gas bzw. Wind in Rotations- und schließlich in mechanische Energie umgewandelt wird. Das Grundelement einer Turbine sind mit Schaufeln ausgestattete Laufräder. Die meist gekrümmten Schaufeln sind so am äußeren Rand des Rades angebracht, dass sie bei Betrieb eine tangentiale Kraft auf das Rad ausüben und ihm damit Energie übertragen. Diese mechanische Energie wird dann weiter auf eine Welle übertragen, die dann praktisch am Ende der Übertragungskette beispielsweise eine Maschine, einen Kompressor, einen Generator oder eine Schraube antreibt. Turbinen teilt man in Wasserturbinen, Dampfturbinen und Gasturbinen ein. Heute wird weltweit der größte Teil des elektrischen Stromes von turbinen getriebenen Generatoren erzeugt.

Der Erfolg mit Wasserturbinen führte zu der Überlegung, Turbinen auch zur Energiegewinnung aus Dampf einzusetzen.

Die Dampfturbine wurde nicht von einer einzelnen Person erfunden, sondern ist das Ergebnis der Arbeit zahlreicher Erfinder in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Bemerkenswerte Beiträge zur Entwicklung der Turbine leisteten der britische Erfinder Charles Algernon Parsons und der schwedische Erfinder Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons entwickelte ein Prinzip, bei dem sich der Dampf in einer Reihe einzelner Stufen entspannt und bei jeder Stufe Arbeit verrichtet. De Laval entwarf als Erster strömungsgünstige Gehäuse und Schaufeln für die wirkungsvolle Nutzung des expandierenden Heißdampfes.

In Dampfturbinen wird die Druckenergie von hochgespanntem, heißem Dampf auf Schaufelrädern in mechanische Energie umgewandelt. Dampfturbinen werden u. a. in Kernkraftwerken und in Schiffen mit Nuklearantrieb eingesetzt, wo sie in Verbindung mit brennstoffbeheizten Dampferzeugern Strom erzeugen. In Blockheizkraftwerken, die sowohl Prozesswärme (Wärme für den Einsatz in technischen Verfahren) als auch Elektrizität produzieren, wird im Dampferzeuger unter hohem Druck stehender Dampf erzeugt, der sich im Prinzip in der Turbine auf den Druck und die Temperatur entspannt, die in dem technischen Verfahren benötigt wird. Dampfturbinen lassen sich in kombinierten Verfahrenskreisläufen mit Dampfgenerator einsetzen. Industrielle Anlagen nutzt man u.a. für den Antrieb von Maschinen, Pumpen, Kompressoren und elektrischen Generatoren. Das Leistungsspektrum dieser Einrichtungen reicht von einigen Kilowatt bis über 1300 Megawatt.

Funktionsweise

Die Arbeitsweise der Dampfturbine beruht auf thermodynamischen Prinzipien. Beim Entspannungsvorgang sinkt die Temperatur des Dampfes, wobei seine innere Energie abnimmt. Während dieses Prozesses wird die innere Energie in mechanische Energie umgewandelt, so dass man direkt eine große Menge an Arbeitsenergie erhält. Die wesentlichen Teile aller Dampfturbinen sind ähnlich, auch wenn die Turbinen nach zwei verschiedenen Prinzipien aufgebaut sind. Sie bestehen u.a. aus Düsen, durch die der Dampf zur Entspannung strömt. Dabei nimmt er kinetische Energie auf und gelangt anschließend auf die mit Schaufeln ausgestatteten Leit- und Laufräder - eine Stufe setzt sich aus je einem Leit- und einem rotierenden Laufrad zusammen. An dieser Stelle übt der schnell strömende Dampf einen entsprechenden Druck aus. Die Anordnung von Düsen und Schaufelrädern hängt von der Bauart der Turbine ab.

Fazit

Solche Wärmekraftwerke sind sehr effizient, wenn sie nicht im großen Maße Strom liefern müssen und die Rohstoffe vorhanden sind. Durch viele neue Filtersysteme ist selbst die Kohlekraft sehr sauber geworden, die gute Sache daran ist, das das heraus gefilterte weiter verwendet werden kann. Da die Förderung dieser Rohstoffe sehr kostspielig ist und auch noch relativ viel an Brennstoff, im Vergleich zum Atomkraftwerk, benötigt wird, ist diese Art von Energieerzeugung kaum noch tragbar. Da bleibt nur zu hoffen das eine günstige Alternative gefunden wird, noch bevor die Rohstoffe aufgebraucht sind.

4.2 Windkraftwerke:

Wind Allgemein:

Wind ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Es ist die Bewegung von Luftmassen und Träger kinetischer Energie. Ungefähr 1/500 der Sonnenenergie fließen in die Windenergie.

Schaubild zu den verschiedenen Stationen der Energieumwandlung - Vom Weltraum bis zur Erdoberfläche

Um diese Energie zu nutzen braucht man eine gewisse Stärke des Windes (4m/s).

50.000 Terra Watt/h ist jährlich technisch Nutzbar.

Geschichte:

  • 3000v. Chr. wurde das erste Segelschiff gemalt, was ein erstes Beispiel für die Nutzung des Windes darstellt
  • Im 11. Jh. gab es die ersten Windmühlen in Europa
  • Im 13. Jh. Gab es die ersten Wokwindmühlen, welche Drehbar waren und so auch sich drehende Winde nutzen konnten
  • 15. Jh. Erste drehbare Haubenwindmühlen
  • Im Jahre 1772 wurde zum ersten Mal automatisch verstellbare Flügelflächen vorgestellt

Arten von Windkraftanlagen:

Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse

Bei den meisten Windkraftanlagen liegt die Rotordrehachse waagerecht. Generator, Getriebe und Nabe sind in einer Gondel untergebracht, die drehbar auf dem Turm sitzt, damit die Rotorblätter optimal in den Wind gestellt werden können. Die Blätter bestehen meist aus faserverstärkten Kunststoffen. Sie sind über die Rotornabe mit der Rotorwelle verbunden. Je nach Anordnung der Rotorblätter unterscheidet man Lee- und Luvläufer.
Bei Leeläufern befinden sich die die Rotorblätter auf der windabgwandten Seite des Turms. Solche Anlagen benötigen keine Vorrichtungen zur aktiven Windrichtungsnachführung. Nachteilig ist es aber, dass sich die Rotorblätter durch den Turmschatten drehen, wobei die Windanströmung kurzzeitig unterbrochen wird. Bei den üblicherweise verwendeten Luvläufern befinden sich die Rotorblätter auf der windzugewandten Seite des Turmes. Dadurch werden periodische Belastungen der Blätter und Leistungsschwankungen, die beim Durchlauf des Turmschattens entstehen, vermieden. Allerdings benötigen Luvläufer eine aktive Windnachführungsvorrichtung, die die Rotorwelle entsprechend der Windrichtung ausrichtet, um einen Leistungsverlust durch eventuelle Schräganströmung zu vermeiden. Damit die Rotordrehzahl auf einen konstanten Wert geregelt werden kann (Pitch-Regelung), wird der Blatteinstellwinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit verändert. Durch konstruktionsbedingten Strömungsabriss an den Blättern (Stall-Regelung) lässt sich die Drehzahl bei kleinen Rotoren begrenzen.
Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten (etwa ab 25 m/s, Windstärke 10) muss zum Schutz vor mechanischer Überlastung der Rotor gebremst oder stillgesetzt und die Blätter auf Leerlauf oder Stillstand geschaltet und ggf. aus dem Wind gedreht werden.

Windkraftwerke mit ihrem schematischen Aufbau und ihrer Anbindung an das Stromnetz

Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse

Anderen Konstruktionsprinzipien folgen die Rotoren mit senkrechter Drehachse, so der Darrieus- und der Savonius-Rotor. Darrieus-Rotoren bestehen meist aus zwei oder drei gekrümmten Rotorblättern, die oben und unten an der Drehachse befestigt sind. Sie sind von der Windrichtung unabhängig, wodurch die Nachführung entfällt. Nachteilig ist, dass sie erst bei Windgeschwindigkeiten von annähernd 6 m/s (Windstärke 4) selbsttätig anlaufen können. Sie werden daher meist mit leicht anlaufenden Savonius-Rotoren kombiniert.

Grundaufbau und Prinzip des Savonius Rotors

Textfeld: Savonius, auch die Entwicklung des finnischen Kapitänleutnants Sigurd Savonius gehört zu den Vertikalachskonvertern: sein Savonius-Rotor wurde gegen Ende des 19. Jahrhunderts bekannt. Als Lüfterrad auf Schiffen oder Lieferwagen fand diese Bauform weite Verbreitung. Das Prinzip ist einfach: Zwei gegenläufig gekrümmte Schaufeln, die sich in Achsnähe überlappen, so daß der Wind zunächst in die eine Schaufel drückt, dort umgelenkt wird und dann in die zweite Schaufelgelangt. Savonius-Rotoren sind für stromerzeugende Windkraftanlagen wegen ihres geringen Wirkungsgrades, d.h. Leistungsbeiwert, (ca. 23%) weitgehend ungeeignet. Vorteilhaft ist jedoch das gute Anlaufverhalten schon bei geringer Windstärke, so daß die Rotoren bei modernen Darrieus-Konvertern häufig als Anlaufhilfe Einsatz finden. Der Savonius-Rotor wird noch oft zum messen von Windstärken genutzt.

Grundaufbau udn Prinzip des Darrieus Rotors

Textfeld: Darrieus: Die moderne Version der Vertikalachser wird nach dem Franzosen George Darrieus benannt, der seine Idee 1931 in den USA patentieren ließ. Der Darrieus-Rotor hat zwei oder drei Rotorblätter, die als Mantellinien einer geometrischen Rotationsfigur ausgebildet sind. Aufgrund der besonderen Profilierung der Blätter entsteht der Drehimpuls im wesentlichen nach dem Prinzip des aerodynamischen Auftriebs. Der Vorteil des Darrieus-Konverters liegt darin, daß seine Funktion nicht von der Windrichtung abhängt. Außerdem können die mechanischen und elektrischen Bauelemente am Boden untergebracht werden. Nachteilig sind dagegen die schlechten Anlaufeigenschaften und der verhältnismäßig ungünstige Wirkungsgrad: Während moderne zweiflügelige Horizontalachsrotoren bis zu 50 Prozent der im Wind enthaltenen Energie aufnehmen können, ist der Leistungsbeiwert des Darrieus-Rotors auf etwa 37 Prozent begrenzt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß sich die Drehzahl bzw. die Leistungsabgabe dieses Konverters nicht durch Verstellen der Rotorblätter regeln läßt.

Aufwindkraftwerke

Aufwindkraftwerke mit ihren Baumerkmalen udn Funktionsprinzip

Bei diesem Kraftwerk ist die Sonne primärer Energielieferant. Wie in einem Treibhaus fallen ihre strahlen durch ein transparentes Dach und heizen den darunterliegenden Boden auf, der dann Wärme abgibt. Dadurch erwärmt sich die Luft unterhalb der Abdeckung und steigt nach oben. Die Kaminwirkung eines möglichst hohen Turmes in der Mitte des Daches erzeugt einen kräftigen Aufwind, der eine Windturbine, die sich in dem Turm befindet, antreibt. Die Machbarkeit wurde mit einer Anlage in Spanien, sie hatte eine Turmhöhe von 200 m und eine Leistung von 50 kW, gezeigt. Für große Anlagen zur Stromerzeugung waren Turmhöhen von 1000 m in der Diskussion. Als Standorte kämen Wüsten in sonnenreichen Weltregionen in Frage.
Seitdem die Anlage in Spanien in einem Sturm umfiel, ist weltweit kein weiteres Kraftwerk oder Prototyp gebaut worden.

privates Investment in Windkraftanlagen in Deutschland von 1990 bis 2002

Betriebsarten:

Inselbetrieb:

Der Inselbetrieb ist geeignet für die Eigenversorgung des eigenen Haushaltes. Seit 1991 gibt es das Einspeisungsgesetz, welches besagt, dass man Geld erhält für überschüssig hergestellte Energie, dieses gilt als Anreiz.

Der Inselbetrieb eignet sich für Leute, welche abgelegen leben und es keine Stromversorgung gibt oder ein Anschluss an das Netz zu aufwändig wäre. Bei dieser Art gibt es einen Windgenerator und ein Notstromagregat (Für den Fall, dass kein Strom durch den Generator erzeugt werden kann).

Verbundbetrieb:

Beim Verbundbetrieb gibt es viele Windgeneratoren, mit Anschluss an das Stromnetz. Für den Fall, dass kein Strom durch den Generator erzeugt werden kann, gibt es hier den "Notstrom" aus dem Stromnetz.

Überschüssige Energie kann an das Stromnetz abgegeben werden und man erhält dadurch eine Vergütung.

Potentiale:

Die Ausbaumöglichkeit der Windenergie ist in Deutschland noch sehr groß. Welcher Anteil des technisch nutzbaren Energieanteils auch wirtschaftlich genutzt werden kann, hängt stark von politischen Rahmenbedingungen ab - Stichwort Stromeinspeisegesetz.
Letztendlich werden aber wohl nur die Küstenstandorte und eventuell vereinzelte Gebiete im Binnenland wirtschaftlich Strom produzieren können.

Tendenzen:

1983 gab es in Norddeutschland den ersten "Windpark" , seit dem probiert man sich in der neuen Technik aus und man untersucht ob sich diese Art der Stromherstellung rentiert.

Wegen dem Nutzungs- und Wirkungsgrad ist Windkraft nicht als alleiniger Stromversorger geeignet. Es werden vor allem Windparks an den Küsten ( Norddeutschland) gebaut.

CO2 Einsparungen durch Windenergie in Deutschland von 1990 bis 2002
Stromproduktion aus Windenergie in Deutschland von 1990 bis 2002
Anzahl installierter Windkraftanlagen in Deutschland von 1990 bis 2002

5. Die Energieübertragung

Transport der elektrischen Energie in Deutschland vom Kraftwerk zu den Verbrauchern

Entwicklung

Der Transport der Elektroenergie begann innerhalb relativ eng begrenzter Gebiete. Er wurde mit der Entwicklung der ersten Gleichstromgeneratoren, angetrieben durch Dampfmaschinen oder Wasserturbinen, und der damit versorgten Motoren und Glühlampen erforderlich. Transmissionswellen, die mechanische Energie übertrugen, wurden in Manufakturen und Fabriken durch elektrische Leitungen und Motoren ersetzt. Mit der Entwicklung größerer Einheitsleistungen von Generatoren, Transformatoren und Abnehmeranlagen verlagerten sich die Standorte der Energieerzeugungsanlagen in die Nähe der Primärenergiequellen. Gleichzeitig gewann der Transport elektrischer Energie quantitativ und qualitativ ( Höhe der Übertragungsspannungen) an Bedeutung. 1912 kam in Deutschland die erste 110-kV-Leitung zum Einsatz und bereits 1924 wurde in den USA eine 220-kV-Leitung in Betrieb genommen. Die Ära der Höchstspannungsleitungen mit 380 kV begann erst in den 50er Jahren: 1952 in Schweden, 1957 in Deutschland. Übertragungsspannungen, die darüber liegen, (500 kV bzw. 735 kV) kommen seit 1963 bzw. 1965 in den USA, der UdSSR und in Kanada zum Einsatz.

Netze

Elektroenergie wird mit dreiphasigem Wechselstrom bzw. Drehstrom unterschiedlicher Spannung transportiert und verteilt. Die Spannungshöhe wird aus technischen und wirtschaftlichen Gründen der jeweiligen Aufgabe angepaßt.

Die Länge der Trassen in km entspricht unter den Netzbedingungen in Mitteleuropa etwa der Spannungshöhe in kV.
Gleichstrom hat für die Energieverteilung eines größeren Territoriums keine Bedeutung mehr, für extrem große Entfernungen jedoch hat die Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungselektronik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) neue Perspektiven eröffnet.

Insgesamt sind in Deutschland Kabel und Freileitungen mit einer Länge von mehr als 1,45 · 106 km in Betrieb, wobei ca. 110.000 km Hoch- und Höchstspannungsleitungen sind.

Die Versorgungssicherheit der Verbraucher wird durch die in Ringleitungen und vermaschten Netzen angewandte Einspeisung von Erzeugeranlagen oder Trafostationen an unterschiedlichen Punkten des Netzes wesentlich verbessert. Dabei erhöhen sich jedoch gleichzeitig die Kurzschlußströme, die bei einer Havarie auftreten und von allen betroffenen Komponenten beherrscht werden müssen. Deshalb werden stark vermaschte Netze im Normalbetrieb teilweise entkuppelt bzw. in verschiedene Teilnetze getrennt. So können nach einem Ausfall oder einer erforderlichen Abschaltung eines Abschnittes die entsprechenden Verbindungen über andere Wege hergestellt werden.

Der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Kraftwerke und Übertragungsanlagen dient die Einführung des Verbundbetriebes. Dabei werden Kraftwerke und Netze großer Wirtschaftsräume sowohl national als auch international zu einem Versorgungssystem zusammengeschlossen. In den USA und Kanada bestehen grenzüberschreitend 4 Großverbundsysteme, die durch Gleichstrom-Kurzkupplungen miteinander verbunden sind. 1951 wurde in Wien das Verbundnetz UCPTE "Union für die Koordination der Erzeugung und des Transports elektrischer Energie" von 8 westeuropäischen Staaten gegründet. 1983 gehörten ihm bereits 13 Mitgliedstaaten an. 1995wurden die neuen Bundesländer und einige osteuropäischer Staaten an dieses Verbundnetz angeschlossen. Gegenwärtig werden damit über 300 Millionen Menschen aus einer installierten Kraftwerksleistung von mehr als 400 GW versorgt.

Vorteile:

  • Erhöhte Versorgungssicherheit für alle angeschlossenen Abnehmer
  • Vergleichmäßigung der Tagesbelastungskurve
  • Verminderung der Reservehaltung einzelner Kraftwerke und Netze
  • Maximale und effektive Nutzung der Laufwasser- und Pumpspeicherkraftwerke

Die Vorteile rechtfertigen die hohen technischen und organisatorischen Aufwendungen für die Kopplung der Netze. Durch die gegenwärtig diskutierten und teilweise bereits umgesetzten gesetzlichen Veränderungen zur Liberalisierung der Energiewirtschaft innerhalb der Europäischen Union werden die Aufgaben des UCPTE-Netzes für den Transit zwischen verschiedenen Verbundunternehmen und die Durchleitung von Elektroenergie von unabhängigen Erzeugern zu Großkunden erweitert. Mittels HGÜ-Trassen könnte eine zukünftige Verbindung von Systemen in Ost-West-Richtung über mehrere Tausend km die tageszeitlichen Verschiebungen der Spitzenbelastung durch entsprechenden Energieaustausch kompensieren und die Wasserkraftreserven Rußlands bis nach Sibirien nutzen. Trotz der nicht zu vernachlässigenden Übertragungsverluste würde diese Verbindung große Vorteile bringen, da besonders die Einhaltung der Frequenz von 50 Hz in einem Verbundnetz einen erheblichen technischen und wirtschaftlichen Aufwand erfordert. Dabei spielen ständige Belastungsänderungen oder plötzliche Kraftwerksausfälle eine entscheidende Rolle. Im Normalbetrieb treten Frequenzänderungen von ± 100 mHz auf, bei einem Abfall auf 49,8 Hz erfolgt eine Alarmierung und bei Unterschreitung von 49 Hz werden Abnehmer stufenweise vom Netz getrennt (frequenzabhängiger Lastabwurf). Beim Erreichen einer Frequenz f <= 47,5 Hz schalten sich Kraftwerksblöcke selbsttätig vom Netz, um Schäden an Turbinenschaufeln durch Resonanzerscheinungen zu vermeiden. Die in den rotierenden Teilen aller Turbinen und Generatoren gespeicherte Bewegungsenergie führt bei sprunghaft eintretenden Antriebs- oder Lastmomentänderungen in einem Verbundnetz zu einer geringfügigen Drehzahl- bzw. Frequenzänderung.
Zur Kompensation größerer Störungen werden auch Gasturbinen- und Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt, die in Abhängigkeit der Leistung innerhalb 45 s - wenige Minuten in Betrieb genommen werden können. Die Regelung ist neben der Stabilisierung der Frequenz in einem Verbundnetz für die Einhaltung der vereinbarten Austauschleistungen zwischen den einzelnen Netzverbänden verantwortlich, wobei der Austausch über Kuppelleitungen erfolgt. Durch Pendelerscheinungen können bei künftig zu erwartenden Netzvergrößerungen und Austauschleistungen in der synchronen Verbundwirtschaft jedoch erhebliche netztechnische Probleme auftreten. Solche "Pendelungen" werden u. a. durch Kraftwerksausfälle in der Größenordnung von 1 000 MW ausgelöst und äußern sich in periodischen und selbstaufklingenden Schwankungen der Frequenz und der Austauschleistungen. Unter ungünstigen Umständen kann das zum Überschreiten zulässiger Grenzwerte und zur Abschaltung von Erzeugern führen. (Vgl. Netzzusammenbruch in einem Verbundnetz der USA im August 1996, der zu einem sukzessiven Abschalten von insgesamt ca. 31.000 MW führte).

Transformatoren und Schaltanlagen

Transformatoren nutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Sie wandeln eine (Primär-)Wechselspannung U1 in eine (Sekundär-)Wechselspannung U2 gleicher Frequenz um (idealer Transformator: Spannungen verhalten sich im Leerlauf proportional zu den Windungszahlen auf der jeweiligen Seite). Das Übersetzungsverhältnis ü ist der Quotient der Spannungen U1/U2. Transformatoren stellen die für den jeweiligen Verwendungszweck technisch und wirtschaftlich optimale Spannung bereit und verbinden damit Netzteile verschiedener Betriebsspannungen miteinander. Die Generatorspannung von 6 bis 30 kV wird im allgemeinen mit Maschinen- oder Blocktransformatoren auf die für den Ferntransport gebräuchliche Hoch- oder Höchstspannung 110, 220 oder 380 kV transformiert. Stationstransformatoren der Umspannanlagen in Verbrauchernähe stellen die Verbindung zu den Verteilungsnetzen auf Mittelspannungsebene (20 kV) und Verteilungs- oder Ortsnetztransformatoren zu den 0,4 kV-Niederspannungsnetzen her. Für Leistungen ab ca. 200 MVA sind Wirkungsgrade von 99,5 % üblich, kleinere Einheiten erreichen entsprechend geringere Werte. Die Verlustleistung von Transformatoren setzt sich aus der durch Ummagnetisierung des Eisenkerns hervorgerufenen Leerlaufverlustleistung P0 und der bei Belastung auftretenden Stromwärmeverlustleistung PK der Wicklungen (wird mit Kurzschlußversuchen ermittelt, demzufolge Kurzschluß- oder Kupferverlust genannt) zusammen. Jährliche Verlustarbeit WV,a eines Transformators:

WV,a = W0,a + WK,a = P0 · tB + PK,r · (Pmax/Sr · cos j)2 ·tB ·d

6. Der Generator

Einblick in die Geschichte

Der erste Generator wurde 1832 von den Franzosen Pixii gebaut. Er bestand aus einen Hufeisenmagneten der vor zwei hintereinander geschalteten Spulen rotierte. Dabei änderte sich das von den Spulen umfaßte Magnetfeld und es wurde so eine Wechselspannung induziert. Da man zu dieser Zeit nur an Gleichstrom interessiert war, baute man einen Rotierenden Umschalter (Kommutator) ein, der dann pulsierenden Gleichstrom lieferte. Nach 1854 baute man verschiedene Generatoren um damit die Energie für Bogenlampen in Leuchttürmen bereitzustellen. Um aber höhere Spannungen und Stromstärken zu produzieren reichten die einfachen Stab- oder Hufeisenmagnete nicht aus. Dafür brauchte man Elektromagneten, weil diese stärker sind und mit der Zeit der Magnetismus nicht abnahm. Diese mußten allerdings mit Batterien oder einen Zweiten Generator betrieben werden.

Werner von Siemens machte dazu 1866 die Entscheidende Entwicklung. Er nutzte dabei einen Teil des im Generator erzeugten Stromes zur Erregung des Magnetfeldes. Je mehr der Generator ("anfahren"/auf Drehzahl bringen des Generators) nun an Strom erzeugte, um so mehr Strom steht zur Erregung des Magnetfeldes zur Verfügung. Dieser Prozeß setzt sich solange fort, bis der Generator die Vorgesehene Energie liefert, diese Generatoren nennt man dann Dynamomaschinen. Durch diese Entdeckung konnte man nun größere und leistungsfähigere Generatoren zur Stromerzeugung bauen. So wurde 1884 in Berlin ein Elektrizitätswerk in Betrieb genommen, dass zwei Gaststätten beleuchtete.

Arten von Generatoren:

Innenpolmaschiene ( z.B. in Kraftwerken)

Drehung eines [Elektro]magneten um eine feststehende Spule

schematischer Aufbau einer Innenpolmaschiene / Generators

Außenpolmschiene ( z.B. Fahrraddynamo)

Drehung einer Spule in einem Magnetfeld

Energieumwandlung:

Mechanische Energie -> Elektrische Energie

Umkehrung des Prinzips vom Motor (Elektromotorisches Prinzip)

Beispiel:

  • Generator
  • Dynamo

Aufbau:

Es gibt ein äußeres Magnetfeld und einen Leiter (Spule), der sich in dem Magnetfeld bewegt.

Es wird Spannung induziert und es fließt Strom.

Die Drehbewegung hat zudem Einfluss auf die Stromrichtung.

Daraus lässt sich folgender Satz ableiten:

Wenn ein Leiter (Spule) in einem Magnetfeld bewegt wird, so wird in ihm eine Spannung induziert. Es kommt auf die Relativbewegung zueinander an.

Induktionsgesetz:

In einem Leiter (Spule) wird immer dann eine Spannung induziert, wenn das ihm durchsetzende Magnetfeld seine Stärke ändert.

Induktionsspannung hängt ab von:
  • Der Windungszahl der Induktionsspule
  • Dem Vorhandensein eines Eisenkerns
  • Der Querschnittfläche der Induktionsspule
  • Der Größe der Änderung des Magnetfeldes
  • Der Schnelligkeit der Änderung des Magnetfeldes

Induktionsrichtung:

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.

Selbstinduktion:

Der Unterschied zu der klassischen Induktion liegt darin, dass es keine 2 Spulen gibt, sondern nur eine Spule vorhanden ist. Dort fließt Strom und es entsteht ein Magnetfeld. Der Draht in der Spule induziert aber gleichzeitig den Strom.

7. Fazit

Es ist wichtig sich die Vor- und Nachteile regenerativer Energiequellen vor Augen zu führen: Der Grund für die geringe Nutzung regenerativer Energiequellen ist nicht nur in historischen Gegebenheiten zu suchen, sondern basiert auf prinzipiellen physikalischen Nachteilen, wie z.B. der geringe Leistungsdichte.
Die Sonneneinstrahlung und die daraus entstehenden anderen erneuerbaren Energieformen Wind, Wasser, Bioenergie usw. haben eine sehr geringe Energiedichte. Dies ist zwar biologisch sinnvoll und lebensnotwendig, aber technisch sehr hinderlich.
Heute übliche Technologien zur Energienutzung arbeiten mit Leistungs- und Energiedichten, die z.B. vieltausendmal höher sind als die Dichten der regenerativen Quellen. Sollen nennenswerte Energiemengen "eingefangen" werden, dann müssen sehr große Solarkollektorflächen aufgestellt werden oder es sind sehr große bzw. sehr viele Windräder zu installieren. Die Folge ist ein hoher Materialeinsatz, der hohe Kosten und nicht vernachlässigbare Umweltbeeinflussungen nach sich zieht.

Desweiteren ist die Verfügbarkeit von Sonnenenergie und Windenergie durch tages- und jahreszeitliche Veränderungen sowie durch witterungsbedingte Schwankungen stark eingeschränkt. Die Versorgungssicherheit mit Energie rund um die Uhr kann nicht so ohne weiteres erreicht werden, da Wind- und Sonneneinsatz nicht zeitlich planbar sind. Zur Sicherung einer bedarfsgerechten und zeitlich planbaren Energiebereitstellung muß ein Energiesystem auf der Basis erneuerbarer Energiequellen in der Regel mit einem zweiten Versorgungssystem gleicher Leistungsfähigkeit im Verbund arbeiten. Bei kleinen Leistungseinheiten sind das im allgemeinen Energiespeicher und bei größeren Einheiten herkömmliche Anlagen oder Kraftwerke. Entscheidend ist, daß immer ein zweites vollwertiges System als Reserve vorgehalten werden muß.
Die mit der Nutzung der regenerativen Energiequellen verbundenen Vorteile sind:

  • unbegrenzte Mengenverfügbarkeit im Gegensatz zu den erschöpflichen fossilen Energieträgern,
  • nutzbar durch eine Vielzahl dezentraler und z.T. zentraler Technologien,
  • keine Freisetzung des zum Treibhauseffekt führenden CO2-Gases,
  • z.T. geringere sonstige Umweltbelastung im Vergleich zu fossilen und nuklearen Energieträgern, daher besondere Eignung zur lokalen Umweltentlastung,
  • Nutzungsmöglichkeit heimischer regenerativer Quellen und infolgedessen eine Reduzierung von Transportaufwand und Transportrisiken, z.B. von Erdöl,
  • keine Brennstoffkosten beim Betrieb (ausser Biomasse), d.h. Kompensationsmöglichkeit der hohen Investitionskosten bei langer Nutzungsdauer und bei Anstieg der Kosten fossiler Energieträger.

Insbesondere die in der Regel hohe Umweltverträglichkeit regenerativer Energiequellen ist der entscheidende Vorteil.

Aus den genannten Nachteilen wird aber deutlich das eine Energieversorgung ausschließlich auf der Basis regenerativer Energiequellen nicht möglich sein wird - die Sonne scheint nicht unbedingt dann, wenn Strom benötigt wird.
Regenerative Energiequellen können also aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nur einen zusätzlichen Beitrag zum Energiemix leisten.

Eine wichtige Rolle können reg. Energiequellen bei der dezentralen Energieversorgung spielen, Stichwort 3.Welt, wo sich ein Anschluß an das Stromnetz sich wirtschaftlich nicht lohnt.

8.Quellen

http://www.tud.uni-essen.de/   - Statischtische Daten

Diagramme von http://www.wind-energie.de

http://www.gaia-mbh.de/ (Grafiken)

Schaubild von http://www.ewr.de/

Windstärkentabelle http://www.planten.de

Bilder von Encarta 2003 Professional

Diagramme von http://www.wind-energie.de

Wissen vermittelt durch Frank Kuntoff

Formel aus Formelsammlung

Allgemein:
  • Encarta 2003Professional
  • Duden PC Bibliothek 3.0
  • http://www.bp.com/centres/energy/index.asp
  • http://www.iwr.de/re/eu/e_dat.html
  • Energiedaten 2000 - Nationale und internationale Entwicklung, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, 2000