Energietechnik Stromversorgung

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1 Energietechnik Stromversorgung Von Patrick Diesch Inhaltsverzeichnis: 1. Geschichtlicher Rückblick 1.1. Energieverbrauch 1.2. Energietechnik 2. Stand der Technik 2.1. Stromnetze Höchstspannungsnetz Hochspannungsnetz Mittelspannungsnetz Niederspannungsnetz Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung 2.2. Kraftwerke Allgemeines Konventionelle Energien Kohlekraftwerk Ölkraftwerk Gaskraftwerk Kernkraftwerk Erneuerbare Energien Wasserkraft Biogasanlage Windenergie Sonnenenergie 3. Blick in die Zukunft 3.1. Problematik 3.2. Aktuell geplante / im Bau befindliche Kraftwerke 3.3. Realistischer Lösungsansatz für die Zukunft 3.4. Visionen für die Zukunft 4. Quellen

2 1. Geschichtlicher Rückblick 1.1. Energieverbrauch Der Energieverbrauch hat sich seit Anfang der industriellen Revolution bis heute vervielfacht. Um 1900 wurde Energie hauptsächlich zur Heizung von Gebäuden, und für die aufkommende Industrie benötigt. Heute wird Energie in fast in allen Bereichen des täglichen Lebens benötigt. Angefangen mit der Heizung von Gebäuden, über den Verkehr, die Industrie, den Haushalt bis hin zur Freizeitgestaltung. Bild: Energieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland von 1900 bis 1990 In dem Maß, in dem der Energieverbrauch in Deutschland anstieg, stieg auch der Stromverbrauch in den letzten hundert Jahren extrem an. Zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurde noch kaum elektrische Energie benötigt. Es gab nur einzelne Straßenbeleuchtungen die mit elektrischer Energie betrieben wurden. Bis zu Beginn des zweiten Weltkrieges stieg der Stromverbrauch kontinuierlich an. Immer mehr Haushalte wurden an das Stromnetz angeschlossen und nutzten diese Energieform zur Beleuchtung von Räumen. Außerdem benötigte die aufkommende Industrie elektrische Energie. Nach dem zweiten Weltkrieg beschleunigte sich der Anstieg des Stromverbrauchs. Dies ist hauptsächlich auf die sehr stark wachsende Industrie zurückzuführen. Außerdem kamen die ersten elektrischen Haushaltsgeräte wie Herd, Waschmaschine und Trockner auf. Daneben fanden Unterhaltungsmedien wie Radio und Fernsehen eine immer weitere Verbreitung. Diese Entwicklung setzt sich bis zum heutigen Tag fort. In Baden-Württemberg stieg zum Beispiel der Stromverbrauch zwischen 1950 und 2005 um das 16fache. Mit dem steigenden Stromverbrauch musste natürlich auch die Erzeugung von elektrischer Energie gesteigert werden. Deshalb wurden immer neue Kraftwerkstypen entwickelt.

3 1.2. Energietechnik Ab ca. 1880: Die elektrische Glühlampe findet zum ersten Mal in größerem Maß Verbreitung. 1882: In Stuttgart geht die erste Deutsche Blockstation in Betrieb. Sie erzeugt Strom für 30 Glühlampen. Bild: Kraftwerk von 1885 in Berlin Die ersten deutschen elektrischen Straßenlampen werden in Berlin in Betrieb genommen. 1884: In Deutschland wird das erste öffentliche Elektrizitätswerk in Berlin gegründet. 1886: In Eberfeld geht das erste Dreileitersystem in Betrieb. 1891: In Heidelberg geht das erste größere deutsche Drehstromkraftwerk in Betrieb. Es wird mit Wasserkraft angetrieben. 1900: In Eberfeld werden zum ersten Mal im größeren Stil Dampfturbinen zur Stromerzeugung eingesetzt. 1905: In Deutschland geht die erste Volt Leitung in Betrieb. 1915: In Deutschland entstehen die ersten großen Braunkohlkraftwerke. Bild: Generator im Kraftwerk Zschornewitz 1924: Das bis dahin größte europäische Speicherwasserkraftwerk, das Walchenseekraftwerk, wird in Betrieb genommen.

4 1954: Das Stromnetz der Bundesrepublik Deutschland und das der DDR werden getrennt. 1957: Die erste deutsche Volt Leitung geht in Betrieb 1960: Das erste Deutsche Ölkraftwerk in Schilling wird eingeweiht. 1966: Das erste Kernkraftwerk in Deutschland in Gundremmingen wird fertig gestellt. Bild: Block A des Kernkraftwerks Gundremmingen 1981: In Wahlheim geht die bis dahin größte Gasturbinenanlage ans Netz. Außerdem werden die ersten europäischen Sonnenkraftwerke in Sizilien und in Spanien fertig gestellt. Bild: Eines der ersten Sonnenkraftwerke 1983: Erstes großes Photovoltaikkraftwerk auf der Nordseeinsel Pellworm geht in Betrieb. Diese Anlage hat eine Nennleistung von 300kW und ist eine Forschungsanlage. 1986: In Tschernobyl kommt es zum bisher schwersten Zwischenfall in der Geschichte der Kernkraft. Dabei wird eine große Menge Strahlung und strahlendes Material freigesetzt und große Gebiete für lange Zeit verstrahlt. Außerdem erkrankten oder starben sehr viele Menschen an den Folgen der Strahlung. Bild: Zerstörter Block 4 des Kernkraftwerks in Tschernobyl

5 1987: In Kaiser-Wilhelm-Koog wird ein Windpark mit einer Leistung von 1 MW errichtet. In Europa wird die Netzspannung von 220/380 auf 230/400 Volt erhöht. Dies wurde zuvor international vereinbart. 2006: In China geht das größte Wasserkraftwerk, das so genannte Drei-Schluchten-Kraftwerk, mit einer Leistung von 18,2 Gigawatt ans Netz. Ein durchschnittliches Kernkraftwerk hat eine Leistung von 1Gigawatt. Bild: Drei-Schluchten-Damm in China 2. Stand der Technik 2.1. Stromnetze Das europäische Stromnetz ist in vier Spannungsebenen eingeteilt, dem Höchstspannungsnetz, dem Hochspannungsnetz, dem Mittelspannungsnetz und dem Niederspannungsnetz. Bild: Aufbau des europäischen Verbundnetzes Höchstspannungsnetz Das Höchstspannungsnetz hat zwei Spannungen. Es gibt Netzabschnitte mit einer Spannung von Volt, 220kV, und Netzabschnitte mit einer Spannung von Volt, 380kV.

6 Das Höchstspannungsnetz verteilt die elektrische Energie von Großkraftwerken über große Gebiete. Außerdem sind alle westeuropäischen Höchstspannungsnetze miteinander verbunden. Dies führt zu einer höheren Ausfallsicherheit, das heißt falls ein Kraftwerk aus irgendeinem Grund außerplanmäßig abgeschaltet werden muss, wird dies von Kraftwerken in ganz Europa ausgeglichen. Somit sollte es zu keinen größeren Stromausfällen beim Verbraucher kommen. Das Höchstspannungsnetz ist meist mit Freileitungen realisiert, da Kabel für so hohe Spannungen noch viel zu teurer sind. Es werden Kabel nur dort verwendet wo es keine andere Möglichkeit gibt. Bild: Höchstspannungsmast Bild: Höchstspannungsschaltanlage Hochspannungsnetz Das Hochspannungsnetz hat eine Spannung von Volt, 110kV. Mit dem Hochspannungsnetz werden Ballungszentren und größere Gebiete mit elektrischer Energie versorgt. Zum Beispiel werden die Städte Ravensburg und Weingarten über das Hochspannungsnetz mit elektrischer Energie versorgt. Außerdem werden kleinere Kraftwerke und Kraftwerke, die nicht direkt an einer Höchstspannungsleitung liegen, über das Hochspannungsnetz angeschlossen. Das Hochspannungsnetz ist wie das Höchstspannungsnetz hauptsächlich mit Freileitungen realisiert. Bild: Ein Hochspannungstransformator

7 Mittelspannungsnetz Das Mittelspannungsnetz hat Spannungen zwischen Volt und Volt. Im Netz der EnBW beträgt die Mittelspannung Volt, 20kV. Über das Mittelspannungsnetz werden einzelne Straßenzüge oder Ortschaften mit elektrischer Energie versorgt. Außerdem werden größere Industriebetriebe an das Mittelspannungsnetz angeschlossen. Neue Mittelspannungsleitungen werden heute hauptsächlich als Kabel verlegt. In Städten sind Mittelspannungsleitungen meist auch verkabelt. Bei älteren Leitungen auf dem Land sind überwiegend noch Freileitungen in Betrieb. Bild: Mittelspannungsfreileitungsmast Niederspannungsnetz Das Niederspannungsnetz hat in Europa eine Spannung von 230/400 Volt. Das heißt, dass die Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter 230 Volt und die Spannung zwischen zwei Außenleitern 400 Volt beträgt. Bild: Prinzipieller Aufbau des Niederspannungsnetzes Über das Niederspannungsnetz werden einzelne Hauser oder kleinere Industrieanlagen mit Strom versorgt. Die meisten Niederspannungsleitungen sind als Kabelnetze ausgeführt. In kleineren Ortschaften existieren aber vielerorts noch Niederspannungsfreileitungsnetze. Heute wird in der Niederspannungstechnik nur noch mit Kabeln gearbeitet.

8 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Diese Technik wird eingesetzt um große Inseln, die weit vom Festland entfernt sind, mit elektrischer Energie zu versorgen. Außerdem wird die Technik eingesetzt um Netze mit verschiedenen Frequenzen oder unterschiedlichen Toleranzen zu koppeln. Dafür wird die erzeugte Wechselspannung erst in riesigen Gleichrichtern gleichgerichtet. Diese Gleichspannung wird dann übertragen. Sie muss am Zielort wieder aufwändig in eine Wechselspannung umgesetzt werden. Dies geschieht in Wechselrichtern. Diese Anlagen arbeiten mit einer Spannung von bis zu Volt. Vorteile einer solchen Übertragung sind geringere Verluste, Einsparung von Kupfer, da weniger Leiter benötigt werden. Der größte Nachteil sind die aufwändigen und teuren Gleichrichter- und Wechselrichteranlagen. Außerdem wurden bis heute nur Anlagen gebaut, die von Punkt zu Punkt übertragen. Eine Verzweigung des Netzes ist sehr kompliziert Kraftwerke Allgemeines Die Lastverteilung in Europa ist über einen Tag gesehen nicht gleich. Dies kommt daher, weil nachts weniger elektrische Energie verbraucht wird wie am Tag. Dies führt dazu, dass die Leistungskurve eines Tages in drei Teile aufgeteilt wird. Die so genannte Grundlast wird rund um die Uhr produziert. Sie wird von Kraftwerken erzeugt, die nur sehr langsam regulierbar sind. Die so genannte Mittellast schwankt über den Tag. Sie wird von Kraftwerken produziert die schneller regulierbar sind. Sie benötigen aber auch einige Zeit um sich an Leistungsänderungen anzupassen. Deshalb gibt es auch noch Spitzenlastkraftwerke. Diese sind sehr schnell regulierbar und produzieren elektrische Energie dann, wenn sie benötigt wird. Bild: Lastverteilung eines Tages Konventionelle Energien Kohlekraftwerk Es gibt zwei Arten von Kohlekraftwerken: Braunkohlkraftwerke und Steinkohlekraftwerke. Braunkohlekraftwerke erzeugen Grundlast und produzieren 26% des deutschen Strombedarfs. Sie stoßen zwischen 980 und 1230 Gramm Kohlendioxid pro produzierter Kilowattstunde aus. Der Wirkungsgrad liegt dabei bei ca. 45%. Dieser wird allerdings noch verringert, da ca. 10% des erzeugten Stroms zur Aufrechterhaltung des Kraftwerksbetriebs benötigt werden.

9 Steinkohlekraftwerke erzeugen in Deutschland Mittellast und produzieren 22% des Strombedarfs. Sie stoßen pro erzeugter Kilowattstunde zwischen 790 und 1080 Gramm CO² aus. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage liegt bei ca. 45%. Ein Kohlekraftwerk ist im Prinzip ein Dampfkraftwerk. Der Brennstoff, in diesem Fall Kohle, wird verbrannt, dadurch wird Wasser erhitzt, dieses Wasser verdunstet und erzeugt somit einen Überdruck. Dieser Überdruck wird über Hochdruckturbinen und über Niederdruckturbinen entspannt. Diese Turbinen erzeugen dann über einen Generator elektrischen Strom. Damit man einen besseren Wirkungsgrad erhält, muss der Druckunterschied zwischen dem Dampferzeuger und dem Kondensator möglichst groß sein. Dies erreicht man, indem man den Wasserdampf nach den Turbinen soweit abkühlt, dass das Wasser wieder kondensiert. Dies geschieht im Kondensator. Die Wärme die über einen zweiten Wasserkreislauf, der den Wasserdampf im Kondensator abkühlt, abgeführt wird, kann zum Beispiel zur Heizung verwendet werden oder über Kühlturme an die Umgebung abgegeben werden. Es existieren auch Anlagen bei denen die entstehende Wärme an ein Gewässer abgegeben wird. Wenn die Wärme zur Heizung oder als Prozesswärme wieder verwendet wird, nennt man dies Kraftwärmekopplung. Das kondensierte Wasser wird nach der Abkühlung wieder erhitzt. Dadurch schließt sich der Kreislauf. Bild: Prinzipieller Aufbau eines Dampfkraftwerkes. Ein Kohlekraftwerk benötigt außer einem Dampfkraftwerk noch andere Komponenten wie eine Abgasreinigung und ein Kamin. Bild: Kohlkraftwerk mit Dampfkraftwerk, Kühlturm und Kamin.

10 Bild: Ein Kohlkraftwerk mit mehreren Blöcken Die Vorteile eines Kohlekraftwerks liegen darin, dass die Stromerzeugung sehr günstig ist. Außerdem ist Kohle in Deutschland vorhanden, es gibt keine Abhängigkeit von Importen. Die Vorräte reichen laut Experten noch für ca. 400 Jahre. Die Nachteile eines Kohlekraftwerkes bestehen darin, dass es eine sehr große Menge an Kohlendioxid und anderen umweltschädlichen Gasen ausstößt. Überdies ist der Flächenverbrauch eines Kohlekraftwerks sehr groß, vor allem beim Braunkohleabbau Übertage. Bei Kohlekraftwerken ist selten Kraft-Wärme-Kopplung möglich, da diese Kraftwerke meist in der Nähe von Abbaugebieten liegen. Die Kraftwerke werden dort gebaut, da der Transport von Kohle in den benötigten Mengen sehr teuer ist Ölkraftwerk Ölkraftwerke werden heute in Deutschland kaum noch zur Stromerzeugung genützt. Diese Art der Stromerzeugung wird hauptsächlich in Erdöl exportierenden Ländern wie Iran oder Irak eingesetzt. Öl wird in Deutschland nur noch bei Notstromaggregaten in Krankenhäusern oder anderen wichtigen Gebäuden zur Stromerzeugung eingesetzt. Ölkraftwerke sind wie Kohlekraftwerke Dampfkraftwerke. Bild: Ölkraftwerk im Irak Gaskraftwerk Es gibt zwei Arten von Gaskraftwerken: Gaskraftwerke die wie normale Dampfkraftwerke arbeiten und Gasturbinenkraftwerke. Gaskraftwerke, die ausschließlich auf dem Prinzip des Dampfkraftwerks funktionieren sind meist ältere Kraftwerke, deren Zahl ist rückläufig. Heute dominieren Gasturbinenkraftwerke, da sie einen höheren Wirkungsgrad haben. Neuere

11 Kraftwerke kombinieren Turbinenkraftwerk mit einem Dampfkraftwerk, auf diese Weise kann ein noch höherer Wirkungsgrad erreicht werden. Gaskraftwerke erzeugen Mittellast und Spitzenlast. Sie produzieren 10% des deutschen Strombedarfs. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 39%, bei Gaskraftwerken mit Gasturbine und Dampfturbinen, so genante GuD-Kraftwerke, oder Gaskraftwerken mit Wärmekopplung werden heute Wirkungsgrade von bis zu 60% erreicht. Gaskraftwerke haben eine sehr hohe Leistungsdichte, es wird sehr wenig Fläche für ein Kraftwerk benötigt. Der Ausstoß von Kohlendioxid liegt zwischen 410 und 640 Gramm CO² pro erzeugter Kilowattstunde. In einem Gasturbinenkraftwerk wird in der Gasturbine Luft über Schaufelräder verdichtet. Dieser verdichteten Luft wird Gas zugemischt, dieses Gemisch wird nun in der Brennkammer verbrannt. Die Verbrennungsgase strömen mit sehr hoher Geschwindigkeit aus der Brennkammer aus und treiben eine Turbine an. Diese Turbine erzeugt dann den elektrischen Strom. Bei GuD-Kraftwerken wird die Wärme der Verbrennungsgase über einen Wärmetauscher einem Dampfkraftwerk zugeführt. Bei Gaskraftwerken mit Wärmekopplung wird über den Wärmetauscher die Wärme zur Heizung oder als Prozesswärme gewonnen. Bild: Schaubild eines Gasturbinenkraftwerks Bild: GuD-Kraftwerk Ein Vorteil eines Gasturbinenkraftwerks ist die sehr kurze Anfahrzeit, so kann dass Gaskraftwerke auch als Spitzenlastkraftwerke eingesetzt werden. Außerdem haben Gaskraftwerke eine hohe Leistungsdichte, dies führt dazu das solche Kraftwerke oft in der nähe von Städten gebaut werden und so Wärmekopplung möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist der geringere CO² Ausstoß im Vergleich zu Kohlekraftwerken. Ein Nachteil ist die Importabhängigkeit, die zu kaum kalkulierbaren Gaspreisen und bei Krisen zu Lieferengpässen führen kann. Außerdem müsste für viele neue Gaskraftwerke ein neues Pipelinenetz aufgebaut werden.

12 Kernkraftwerk Kernkraftwerke, auch Atomkraftwerke genannt, erzeugen Grundlast. Sie produzieren 26% des deutschen Strombedarfs, in Baden-Württemberg beträgt der Anteil sogar über 50%. Der Wirkungsgrad von Kernkraftwerken liegt bei ca. 34%. In Deutschland sind zurzeit 17 Kernkraftwerke in Betrieb wird laut Atom-Konsens-Vertrag das letzte deutsche Atomkraftwerk vom Netz genommen. Kernkraftwerke sind im Prinzip Dampfkraftwerke. Es gibt verschiedene Typen von Kernkraftwerken. Sie unterscheiden sich in den verwendeten Kernbrennstoffen, den verwendeten Moderatoren und den Kühlkreisläufen. Der Moderator steuert die Kernspaltung. Man unterscheidet so genante Leichtwasserreaktoren, Schwerwasserreaktoren, RBMK-Reaktoren, Brutreaktoren und Hochtemperaturreaktoren. Die in Deutschland eingesetzten Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren gehören zu den Leichtwasserreaktoren. Sie verwenden leichtes Wasser zur Kühlung und als Moderator und Uran235 als Spaltmaterial. RBMK-Reaktoren sind Reaktoren sowjetischer Bauart. Diese Art von Kernkraftwerken verwenden Wasser als Kühlmittel, Graphit als Moderator und Uran mit natürlicher Isotopenverteilung als Spaltmaterial. Sie sind sehr schwer zu steuern, deshalb sind sie außer auf dem Gebiet der ehemaligen Sowjetunion kaum verbreitet. Der Reaktor, der im April 1986 in Tschernobyl zum bisher größten atomaren Zwischenfall führte, war auch ein RBMK-Reaktor. Brutreaktoren und Hochtemperaturreaktoren sind in Deutschland nie aus dem Versuchsstadium hinausgekommen. Schwerwasserreaktoren werden zum Beispiel in Kanada eingesetzt. In Deutschland werden Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren eingesetzt. Druckwasserreaktoren haben zwei getrennte Wasserkreisläufe. Im ersten Wasserkreislauf, der unter Überdruck steht, wird das Wasser durch die Kernspaltung erhitzt, über einen Wärmetauscher wird dann aus dem heißen Wasser in einem zweiten Wasserkreislauf Dampf erzeugt, der ein Dampfkraftwerk antreibt. Bei Siedewasserreaktoren gibt es nur einen Wasserkreislauf, der nicht unter Überdruck steht. Die bei der Kernspaltung entstehende Hitze wird direkt in Dampf umgesetzt. Dieser wird direkt über ein Dampfkraftwerk in Strom umgewandelt. Bild: Prinzipschaubild eines Druckwasserreaktors.

13 Bild: Prinzipschaubild eines Siedewasserreaktors Bild: Kernkraftwerk Ein Vorteil eines Kernkraftwerks ist die niedrige Schadstoffemission. Nur bei der Herstellung von Brennstäben und beim Bau eines Kernkraftwerks werden Schadstoffe emittiert. Ein weiterer Vorteil ist der hohe Energiegehalt und der geringe Flächenverbrauch. Ein sehr großer Vorteil ist der günstige Preis des erzeugten Stroms. Der größte Nachteil ist die Gefahr eines Störfalls mit Austritt von Strahlung oder strahlendem Material. Außerdem ist das Problem der Endlagerung des Atommülls noch nicht geklärt, dies kommt daher dass dieser Atommüll für sehr lange Zeit sicher gelagert werden muss. Aus diesem Grund sind die Kosten, die für die Endlagerung anfallen, noch nicht abschätzbar. Außerdem ist der Wirkungsgrad von Kernkraftwerken relativ gering. Seit einigen Jahrzehnten wird an einer ganz neuen Art von Kernkraftwerken geforscht. Bei dieser neuen Technologie werden nicht wie bisher Atome gespalten, sondern mehrere Atome zu einem verschmolzen. Der Vorteil wäre dass die entstehenden Stoffe weit weniger strahlen und eine sehr viel geringere Halbwertszeit haben als bei heutigen Anlagen. Außerdem wäre bei diesen Anlagen die Gefahr eines Unfalls mit Freisetzung von radioaktiven Stoffen nach heutigem Wissensstand gleich Null. Solche Kernfusionskraftwerke befinden sind noch am Beginn der Forschung. In absehbarer Zeit wird es deshalb keine Kernfusionskraftwerke geben.

14 Erneuerbare Energien Bis 1990 spielten erneuerbare Energien in der Stromproduktion kaum eine Rolle. Die einzige erneuerbare Energie, die in größerem Umfang genutzt wurde, war die Wasserkraft. Seit 1990 ist der Anteil erneuerbarer Energien am Deutschen Strombedarf stark gestiegen. Bild: Durch erneuerbare Energien erzeugter Strom in Mrd.kWh Wasserkraft Wasserkraftwerke decken rund 3,5 % des Deutschen Strombedarfs. Dieser Wert hat sich in den letzten Jahren kaum geändert. Dort, wo sich Wasserkraftwerke rechnen, existieren meist schon welche. Deshalb wird die Zahl der Wasserkraftwerke in Zukunft nur noch leicht ansteigen. Es gibt verschiedene Arten von Wasserkraftwerken: Laufwasserkraftwerke, Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerke und Meeresströmungskraftwerke. Laufwasserkraftwerke Laufwasserkraftwerke erzeugen Grundlast. Sie haben den größten Anteil an dem durch Wasserkraft erzeugten Strom in Deutschland. Laufwasserkraftwerke haben einen Wirkungsgrad von bis zu 94%. Bei Laufwasserkraftwerken wird ein Fluss durch eine Staumauer aufgestaut. Der hierbei entstehende Höhenunterschied wird dadurch genutzt, dass Wasser aus dem Oberbecken über eine Turbine ins Unterbecken abgelassen wird. Diese Turbine erzeugt den elektrischen Strom. Es gibt für diesen Zweck verschiedene Turbinen je nach Höhenunterschied und Durchflussmenge. Bild: Aufbau eines Laufwasserkraftwerks

15 Bild: Laufwasserkraftwerk Speicherkraftwerke Speicherkraftwerke erzeugen Mittellast. Sie funktionieren im Prinzip wie Laufwasserkraftwerke. Der Unterschied besteht darin, dass bei Speicherkraftwerken das Wasser über einen ganzen Tag angestaut wird und nur dann in Strom umgesetzt wird wenn dieser Strom vom Kunden benötigt wird. Dies ist bei Laufwasserkraftwerken meistens nicht möglich. Pumpspeicherkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke erzeugen Spitzenlast. Sie erzeugen im eigentlichen Sinn keinen Strom sondern speichern ihn als Lageenergie von Wasser. Pumpspeicherkraftwerke nehmen elektrische Energie aus dem Netz auf, falls mehr Strom produziert als abgenommen wird. Ist die Nachfrage größer als die Produktion, speisen solche Kraftwerke elektrische Energie ins Netz ein. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage liegt bei ca.75%, dass bedeutet dass nur ¾ der aus dem Netz entnommenen Leistung wieder eingespeist werden kann. Entzieht man Energie aus dem Netz, so wird aus einem Unterbecken, dies kann ein Fluss oder ein See sein, Wasser in ein meist künstlich angelegtes Oberbecken gepumpt. Wird die Energie wieder benötigt, fließt das Wasser über Fallrohre über Turbinen wieder ins Unterbecken, dabei wird elektrischer Strom erzeugt. Bild: Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks

16 Bild: Tagesgang eines Pumpspeicherkraftwerks Bild: Pumpspeicherkraftwerk Gezeitenkraftwerk Gezeitenkraftwerke nützen den Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut. Für ein Gezeitenkraftwerk muss eine Meeresbucht durch einen Damm vom Meer abgetrennt werden. In diesen Damm müssen Turbinen eingebaut werden, die in beide Richtungen funktionieren. Um eine solche Anlage rentabel betreiben zu können, ist ein großer Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut erforderlich. Außerdem ist ein solches Gezeitenkraftwerk ein sehr starker Eingriff in die Natur. Bei Flut ist der Wasserstand im Meer höher als in der Bucht, Wasser fließt über die Turbinen in die Bucht und erzeugt Strom. Bei Ebbe ist der Wasserstand in der Bucht höher als im Meer, das Wasser fließt wieder über die Turbinen zurück und erzeugt erneut Strom. Bild: Prinzipschaubild eines Gezeitenkraftwerks Bild: Gezeitenkraftwerk Wellenkraftwerk Wellenkraftwerke nützen den Höhenunterschied zwischen dem Wellenkamm und dem Wellental. Um diesen Unterschied zu nutzen gibt es verschiedene Ansatzpunkte.

17 Man schafft an der Küste einen Hohlraum mit zwei Öffnungen, eine dieser Öffnungen muss unter dem Meeresspiegel liegen. Durch den Höhenunterschied von Wellenkamm und Wellental kommt es zu einer Luftbewegung im Hohlraum, der über eine Windturbine in der zweiten Öffnung zur Stromgewinnung genutzt werden kann. Bild: Symboldarstellung eines Wellenkraftwerks Meeresströmungskraftwerk Meeresströmungskraftwerke funktionieren wie Windkraftanlagen unter Wasser. Die Meeresströmung wird über Turbinen in elektrischen Strom umgewandelt. Die ersten Anlagen, die auf diesem Prinzip aufbauen, werden zurzeit verwirklicht Biogasanlage Biogasanlagen erzeugen aus Gülle, Abfällen oder pflanzlichen Stoffen über einen Vergärungsprozess ein Gas, das zur Stromgewinnung genutzt wird. Der Anteil am deutschen Strombedarf schwankt zwischen 0,5% und 3%, je nachdem ob man Anlagen in Kläranlagen oder Anlagen die Grubengas verwenden, mitberücksichtigt. Bei Biogasanlagen werden Gülle, Abfälle und pflanzliche Stoffe, wie Mais, in den Reaktor eingebracht. Dort zersetzen Bakterien diese Masse, unter Sauerstoffausschluss entsteht Gas mit einem Methangehalt von 40 bis 75%. Dieses Gasgemisch wird gereinigt und in einem Block-Heiz-Kraftwerk verbrannt. Dabei entsteht Strom, der ins Netz eingespeist wird. Außerdem entsteht sehr viel Wärme, die oft zur Heizung von Gebäuden genutzt wird. Bild: Prinzipieller Aufbau einer Biogasanlage

18 Bild: Biogasanlage Bei einer Biogasanlage wird Energie CO²-Neutral produziert. Dies heißt dass CO² das bei der Verbrennung entsteht ein oder mehrere Jahre zuvor beim Wachstum der Pflanzen gebunden wurde. Außerdem werden bisher nicht genutzte erneuerbare, nachwachsende Ressourcen aus der Region genutzt. Außerdem steht diese Leistung dezentral und steuerbar zu Verfügung, deshalb werden weniger Leitungen und Speichermedien benötigt. Ein Nachteil von Biogasanlagen sind die hohen Baukosten, außerdem besteht die Gefahr von Monokulturen und der Preissteigerung bei Lebensmitteln wegen höherer Nachfrage von pflanzlichen Stoffen für Biogasanlagen. Außerdem stellt sich die Frage, ob Lebensmittel in Biogasanlagen eingesetzt werden sollten um Strom zu erzeugen Windenergie Windkraftanlagen produzieren derzeit rund 5% des in Deutschland benötigten Stroms. Die Funktionsweise eines Windrades ist im Prinzip sehr einfach und wurde schon vor Jahrhunderten bei Windmühlen eingesetzt. Ein Problem solcher Anlagen ist die ungleichmäßige Leistungsproduktion, da die Windrichtung und die Windstärke schwanken. Deshalb werden Windparks meist in Regionen errichtet, in denen es starke und gleichmäßige Luftströme gibt, zum Beispiel an der Küste oder auf Erhebungen. Experten meinen, dass der Anteil von Windenergie am Deutschen Strombedarf nicht über 20 bis 25% steigen wird. Die Luftströmung umfließt ein speziell geformtes Rotorblatt, dadurch wirkt auf das Rotorblatt eine Kraft in eine bestimmte Richtung, das Rotorblatt beginnt sich zu drehen. Diese Drehbewegung wird über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Der Generator produziert meist Gleichspannung, diese wird dann über einen Wechselrichter auf die benötigte Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Herz umgewandelt. Bild: Aufbau eines Windrades

19 Bild: Windrad bzw. Windpark Sonnenenergie Sonnenenergie deckt derzeit rund 0,5% des deutschen Strombedarfs. Es existieren verschiedene Systeme der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom. Man unterscheidet Photovoltaikanlagen, Parabolrinnenkraftwerke, Kraftwerke mit der so genanten Turm-Technologie und Aufwindkraftwerke. In Deutschland sind nur Photovoltaikanlagen von Bedeutung. Photovoltaik Bei Photovoltaikanlagen wird die Sonnenstrahlung direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Photovoltaikanlagen sind in Deutschland oft auf Hausdächern, Ställen oder Industrieanlagen montiert. Die Anschaffungskosten einer Photovoltaikanlage sind sehr kapitalintensiv, deshalb ist Strom, der mit Hilfe von Photovoltaikanlagen produziert wird, sehr viel teurer als Strom aus konventionellen Kraftwerken. In der Photovoltaikzelle werden durch die Sonnenstrahlung Elektronen aus einem Halbleiterbauteil herausgelöst. Diese Elektronen werden abgeleitet, dies führt zu einer Ladungstrennung und somit zu elektrischer Energie. Bei der Ladungstrennung entsteht Gleichspannung, diese wird über Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Bild: Aufbau einer Photovoltaikzelle

20 Bild: Hausdach mit Photovoltaikanlage Parabolrinnenkraftwerk Parabolrinnenkraftwerke bestehen aus einem Kollektorfeld und einem Dampfkraftwerk. Ein solches Kraftwerk benötigt eine starke Sonneneinstrahlung und sehr viel Platz. Deshalb ist eine solche Anlage in Mitteleuropa kaum realisierbar, eine solche Anlage kann in sonnenreichen Gebieten mit einem großen Platzangebot sinnvoll sein. Parabolrinnenkraftwerke existieren zum Beispiel in Südeuropa und Kalifornien. Bei einem Parabolrinnenkraftwerk wird über einen reflektierenden Halbzylinder die Sonnenstrahlung auf einem Rohr konzentriert. Durch dieses Rohr fließt Öl, das erhitzt wird. Die Wärme wird an einem Wärmetauscher an ein Dampfkraftwerk übergeben, das aus dieser Wärme elektrische Energie macht. Bild: Aufbau eines Parabolrinnenkraftwerks Bild: Kollektorfeld eines Parabolrinnenkraftwerks

21 Turm-Technologie Bei der Turm-Technologie wird über ein großes Spiegelfeld die Sonnenstrahlung auf einem Punkt auf einem Turm konzentriert. Im Turm befindet sich ein mit Wasser gefüllter Behälter, in diesem entsteht durch die konzentrierte Sonnenstrahlung Wasserdampf. Dieser treibt ein Dampfkraftwerk an. Eine solche Anlage benötigt wie ein Parabolrinnenkraftwerk sehr viel Platz und eine starke Sonneneinstrahlung, deshalb ist eine solche Anlage nur zum Beispiel in Wüstengebieten vorstellbar. Bild: Kraftwerk mit Turm-Technologie Aufwindkraftwerk Bei einem Aufwindkraftwerk wird eine größere Fläche überdacht. Unter diesem Dach wird die Luft von der Sonnenstrahlung erwärmt und steigt auf. Die aufsteigende Luft wird in die Mitte des Dachs geleitet, wo sich ein Turm befindet. Die erwärmte Luft steigt in dem Turm auf und treibt dort eine Windturbine an. Von der Seite strömt neue Luft nach und wird erwärmt, es entsteht ein unablässiger Luftstrom. Solche Anlagen benötigen auch sehr viel Platz und sind deshalb nur in Wüsten oder Steppen sinnvoll. Bild: Aufbau eines Aufwindkraftwerks bzw. Aufwindkraftwerk 3. Blick in die Zukunft 3.1. Problematik In den nächsten 15 bis 20 Jahren müssen Kraftwerke mit einer Leistung von 40 Gigawatt ersetzt werden weil ältere Kraftwerke und alle Atomkraftwerke die wegen des Atom- Konsens-Vertrags abgeschaltet werden, ersetzt werden müssen. Um diese Leistung zu ersetzen müssen Investitionen in Höhe von mindestens 50 Milliarden Euro getätigt werden. Bei Überlegungen über die Zukunft der Stromproduktion spielen neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch Wünsche und Ziele der Politik und der Gesellschaft eine große Rolle.

22 Eines dieser Ziele ist der Ausstieg aus der Kernenergie, dieser Ausstieg wurde in Deutschland im Jahr 2000 beschlossen. Ein weiteres Ziel ist es den Ausstoß von Kohlendioxid und anderen klimaschädlichen Gasen zu verringern, da diese Gase die Klimaerwärmung vorantreiben. Außerdem möchte die Politik den Ausbau von erneuerbaren Energieformen fördern, um die Abgasemission zu verringern und fossile Brennstoffe zu sparen. Der Strompreis soll in einem akzeptablen Rahmen bleiben, damit sich auch jeder weiterhin Strom leisten kann und die Industrie nicht unter den zu hohen Strompreisen leiden muss. Ein weiteres Ziel der Politik ist es die Importabhängigkeit zu verringern, um nicht erpressbar zu werden. Keine der zurzeit diskutierten Lösungsansätze erfüllt alle der oben genannten Ziele. Deshalb muss eine Lösung gefunden werden, die alle Punkte berücksichtigt. Es muss ein Zwischenweg gefunden werden, zwischen dem Einsatz von kostengünstigen aber klimaschädlichen Kohlekraftwerken, dem Einsatz von teuren aber sauberen erneuerbarer Energieformen und einer starken Reduktion des Stromverbrauchs Aktuell geplante / im Bau befindliche Kraftwerke Zur Zeit werden bei der Mehrheit der geplanten Kraftwerke fossile Brennstoffe verwendet. In Planung oder im Bau befinden sich Gaskraftwerke mit einer Leistung von 6590 Megawatt und Kohlkraftwerke mit einer Leistung von Megawatt. Außerdem wird ein Laufwasserkraftwerk mit 74 Megawatt und ein Pumpspeicherkraftwerk mit 45 Megawatt geplant. Dies zeigt, dass die Pläne der Energiewirtschaft und die Ziele der Politik und der Gesellschaft noch weit auseinander liegen Realistischer Lösungsansatz für die nähere Zukunft Nähere Zukunft bedeutet in der Energietechnik einen Zeitraum von 20 bis 40 Jahren. Die Energieeffizienz muss sowohl auf der Produktionsseite als auch auf der Verbrauchsseite verbessert werden. Neue Kraftwerke sollten einen besseren Wirkungsgrad haben auf der Verbrauchsseite muss sparsamer und gewissenhafter mit elektrischer Energie umgegangen werden, es müssen Geräte mit einem geringeren Stromverbrauch eingesetzt werden. Vermehrt müssen erneuerbare Energieformen zur Stromerzeugung genutzt werden. Trotz des aufkommenden Widerstands müssen mehr Windparks entstehen, Biogastechnik muss in einem sinnvollen Rahmen eingesetzt und die Stromproduktion aus Sonnenenergie gefördert werden. Trotz des vermehrten Einsatzes von erneuerbaren Energieformen wird es auch in näherer Zukunft nicht möglich sein ohne konventionelle Kraftwerke auszukommen. Es wird deshalb weiterhin Kohlekraftwerke geben müssen. Diese müssen aber einen wesentlich höheren Wirkungsgrad haben. Außerdem wird heute an Anlagen geforscht die das entstehende CO² absorbieren und zum Beispiel in alten Gasfeldern einlagern. Es wird außerdem immer mehr kleine, dezentrale Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen geben. Diese sind in größeren Wohneinheiten oder Firmen installiert. Sie produzieren Strom aus Gas, Öl oder Holz. Mit der Abwärme wird direkt geheizt. Eine solche Anlage hat einen sehr hohen Wirkungsgrad. Außerdem könnte eine solche Stromerzeugung über eine Zentrale gesteuert werden. Durch solche kleinen Kraftwerke könnten außerdem Leitungen eingespart werden, da der Strom dort produziert wird, wo er benötigt wird.

23 3.4. Visionen für die Zukunft In fernerer Zukunft, in frühestens 50 Jahren, wird es vielleicht Lösungsansätze geben, an die wir heute noch gar nicht denken. Vielleicht sind bis dorthin auch die Fusions-Kraftwerke so weit entwickelt, dass sie unsere Stromversorgung übernehmen können. Dies ist aber reine Spekulation. 4. Quellen