Effiziente (fossile) thermische Kraftwerke

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1 Basis-themeninformationen für Lehrer Effiziente (fossile) thermische Kraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht eine effizientere Nutzung fossiler Energieträger Bis eine lückenlose und flächendeckende Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen möglich sein wird, gewährleisten fossile (z. B. Gas- und Kohle-)Kraftwerke eine sichere Stromversorgung in Europa. Diese Kraftwerke werden auch noch längerfristig als back-up im Einsatz sein für den Fall, dass Anlagen, die erneuerbare Energiequellen nutzen, z. B. witterungsbedingt, keinen Strom liefern können. Um diese fossilen Kraftwerke optimal zu nutzen, werden sie zu Kraft-Wärme-Kopplung-Kraftwerken umgebaut. Mit Kraft-Wärme-Kopplung ausgestattete Kraftwerke erreichen meist doppelt so hohe Wirkungsgrade als solche ohne diese Technologie. Die höhere Effizienz ergibt sich daraus, dass auf Basis eines einzigen Brennstoffes (z. B. Erdöl, Kohle oder Gas) gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt werden. Letztere wird z. B. in Form von Fernwärme für Verbraucher zur Verfügung gestellt. Effizient genutzte fossile Energieträger (wie z. B. Erdgas) sind wichtige Brücken in eine CO 2 -arme Energiezukunft. Effizient genutzt bedeutet, dass in vielen thermischen Kraftwerken Energie einerseits zur Stromerzeugung und andererseits zur Wärmeerzeugung genutzt wird. Damit wird der Gesamtwirkungsgrad der Kraftwerke erhöht. Und thermische Kraftwerke sind in der Stromerzeugung als Brücke in die CO 2 -arme Energiezukunft notwendig, da die erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen nicht auf Knopfdruck zur Verfügung stehen die Stromkunden sich aber Strom auf Knopfdruck erwarten. Facts & Figures Was ist ein fossiler Energieträger? Erdöl, Erdgas, Braunkohle oder Steinkohle sind fossile Energieträger, die unter Druck aus Abbauprodukten toter Pflanzen und Tiere entstanden sind. Sie basieren auf einem Kohlenstoffzyklus und ermöglichen damit, dass gespeicherte (Sonnen-)Energie vergangener Zeiten heute verwertet wird. Bei der Verbrennung fossiler Energieträger wird CO 2 freigesetzt, das laut Weltklimarat ein Mitverursacher der globalen Erwärmung ist. Was versteht man eigentlich unter dem Wirkungsgrad? Der physikalische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener zu aufgewendeter Energie bei der Energieumwandlung. Bei Energiewandlern (z. B. einem Kraftwerk) soll die zugeführte Energie (z. B. gespeicherte Energie in der Kohle) in eine gewünschte Energieform (z. B. elektrische Energie) übergeführt werden. Ein Energiewandler ist besonders effizient, wenn er von der zugeführten Energie möglichst viel in gewünschte Energieformen umwandelt. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto mehr der gespeicherten Energie wird genutzt. Beispielsweise beträgt der Gesamtwirkungsgrad (Strom und Wärme zusammen) bei einem Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung 80 Prozent und mehr, da sowohl Strom als auch Wärme genutzt werden. 1/7

2 Basis-themeninformationen für Lehrer Facts & Figures So funktioniert ein KWK-Kraftwerk Pflanzenöl Bioethanol Heizöl Erdgas Kohle KWK-Kraftwerk Strom Holz und Stroh Biogas Siedlungsabfälle Brennstoff Gasturbine/ Generator Wärme Quelle: B.KWK e. V. Ein Schattenkraftwerk was ist das? Schatten- oder Ausgleichskraftwerk sagt man zu einem Kraftwerk, das einspringt und Strom erzeugt, wenn ein anderes Kraftwerk ausfällt, z. B. ein Windrad, das plötzlich keinen Strom mehr produziert, weil der Wind nicht bläst aber trotzdem Strom gebraucht wird. Denn im Stromnetz muss immer ein Gleichgewicht herrschen, das heißt, es muss exakt so viel Strom erzeugt werden, wie zur gleichen Zeit verbraucht wird. Damit dieser Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch zu jeder Zeit ohne viele Verluste möglich ist, versucht man, etwas in die Zukunft zu schauen, um herauszufinden, wann bspw. Windkraft- und Photovoltaikanlagen wie viel Strom erzeugen, wie viel Strom vielleicht gebraucht wird und wie viel Strom zusätzlich aus anderen Anlagen beigesteuert werden muss. So kann ein Gaskraftwerk als Ausgleichskraftwerk für Windkraftanlagen dienen. Und damit das Gaskraftwerk auf Knopfdruck einspringen kann, muss es in Bereitschaft stehen, was natürlich Geld kostet. Welche Länder haben weltweit die höchste Kohleförderung? Es sind China, die USA und Indien. In Europa sind es Deutschland und Polen. In welchen Ländern gibt es weltweit die größten Erdölvorkommen? In Saudi-Arabien, Russland, den USA, Mexiko und im Iran. 2/7

3 Basis-themeninformationen für Lehrer Facts & Figures Der Energiemix: Wie sieht er in Österreich, Europa und weltweit aus? Energiemix nennt man in der Stromerzeugung die verschiedenen Energiequellen, die alle gemeinsam die Stromerzeugung ermöglichen: In Österreich sind das fossile Energiequellen (überwiegend Erdgas) und erneuerbare Energiequellen (Wasser, Wind, Photovoltaik, biogene Brennstoffe etc.). In Europa und weltweit kommt auch Kernkraft zum Einsatz, der Hauptteil des Stroms wird aus CO 2 -haltigen fossilen Energiequellen (Erdöl, Erdgas, Kohle) gewonnen. Der Energiemix in Österreich, Europa und weltweit Österreich in Prozent 59 % Europa in Prozent 51 % Weltweit in Prozent 68 % % 9 % % 12 % 5 % % 16 % 3 % Fossile Energieträger Wind-Biomasse-PV-Geothermie Wasser Fossile Energieträger Kernenergie Wind-Biomasse-PV-Geothermie Wasser Fossile Energieträger Kernenergie Wind-Biomasse-PV-Geothermie Wasser Quelle: IEA, Eurostat 2012 (Daten 2010) 3/7

4 Arbeitsblätter für Schüler Effizient genutzte fossile Energieträger als Brücken in eine CO 2 -arme Zukunft Im folgenden Text findest du Informationen dazu, wie der CO 2 -Ausstoß von Kraftwerken, die fossile Brennstoffe nutzen, reduziert werden kann. Ergänze die fehlenden Begriffe/Zahlen mit Hilfe der Informationen auf Seite 6 und Seite 24 in der Broschüre Die Welt der E-Wirtschaft! GuD Kondensationskraftwerken hohen Carbon Capture and Storage Fernwärme Kraft-Wärme-Kopplung 50,1 Carbon Capture and Utilisation 80 CCU Low Carbon Technologies Strom geringer 37 Dampfturbinen-Generatoreinheit CCS Gas- und Dampfkraftwerke In Anlagen mit wird elektrische Energie und Wärme in einem einzigen Prozess bereitgestellt, indem die Abwärme z. B. für die Beheizung von Räumen oder zur Warmwasserbereitung genutzt wird. So gelangt beispielsweise warmes Wasser als zu den Haushalten. Kaltes Wasser wird zur KWK-Anlage zurückgeleitet. Solche Anlagen erreichen einen Wirkungsgrad von Prozent und mehr., kurz -Kraftwerke, sind Stromerzeugungsanlagen, die mittels einer Gasturbine erzeugen und deren Abgase in einem Abhitzekessel zudem Dampf erzeugen, mit dem eine zusätzlich Strom produziert. Solche Anlagen verfügen über einen Wirkungsgrad. In wird ausschließlich elektrischer Strom erzeugt, indem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe Wasserdampf erzeugt wird, der Turbinen antreibt. Dieser Wasserdampf kondensiert anschließend wieder zu flüssigem Wasser, das neuerlich erhitzt wird, sodass der Kreislauf erneut beginnt. Da bei diesem Kraftwerkstyp die Abwärme nicht genutzt wird, ist der Wirkungsgrad als in Anlage mit Kraft- Wärme-Kopplung. Fossile reduzieren CO 2 -Emissionen überall dort, wo fossile Energieträger heute noch unverzichtbar sind. Der elektrische Wirkungsgrad heimischer Kraftwerke konnte so von Prozent im Jahr 2001 auf heute Prozent gesteigert werden. Die Abscheidung von CO 2 aus dem Verbrennungsgas von Kraftwerken und seine sichere Lagerung nennt man oder kurz, die industrielle Nutzung von CO 2 aus dem Verbrennungsgas von Kraftwerken nennt man oder kurz. Auf diese Weise wird die Menge an CO 2, die in die Erdatmosphäre gelangt, verringert. 4/7

5 Arbeitsblätter für Schüler Weiterführende Aufgaben Nachdem du den Lückentext erfolgreich ausgefüllt hast, diskutiere und beantworte gemeinsam mit Freunden/Bekannten und Erwachsenen folgende Fragen: 1. Warum soll möglichst wenig CO 2 in die Erdatmosphäre gelangen? 2. Welche Fragen sind in Bezug auf CCS-Technologien noch offen und wie hat das österreichische Parlament darauf reagiert? 3. Welche Kraftwerke, die manchmal auch zu den Low Carbon Technologies gezählt werden, gibt es in Österreich nicht? Findest du das gut? Wenn ja, warum? Wenn nein, warum nicht? 5/7

6 Lösung zur Aufgabe Lösung zur Aufgabe In Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung wird elektrische Energie und Wärme in einem einzigen Prozess bereitgestellt, indem die Abwärme z. B. für die Beheizung von Räumen oder zur Warmwasserbereitung genutzt wird. So gelangt beispielsweise warmes Wasser als Fernwärme zu den Haushalten. Kaltes Wasser wird zur KWK-Anlage zurückgeleitet. Solche Anlagen erreichen einen Wirkungsgrad von 80 Prozent und mehr. Gas- und Dampfkraftwerke, kurz GuD-Kraftwerke, sind Stromerzeugungsanlagen, die mittels einer Gasturbine Strom erzeugen und deren Abgase in einem Abhitzekessel zudem Dampf erzeugen, mit dem eine Dampfturbinen-Generatoreinheit zusätzlich Strom produziert. Solche Anlagen verfügen über einen hohen Wirkungsgrad. In Kondensationskraftwerken wird ausschließlich elektrischer Strom erzeugt, indem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe Wasserdampf erzeugt wird, der Turbinen antreibt. Dieser Wasserdampf kondensiert anschließend wieder zu flüssigem Wasser, das neuerlich erhitzt wird, sodass der Kreislauf erneut beginnt. Da bei diesem Kraftwerkstyp die Abwärme nicht genutzt wird, ist der Wirkungsgrad geringer als in Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung. Fossile Low Carbon Technologies reduzieren CO 2 -Emissionen überall dort, wo fossile Energieträger heute noch unverzichtbar sind. Der elektrische Wirkungsgrad heimischer Kraftwerke konnte so von 37 Prozent im Jahr 2001 auf heute 50,1 Prozent gesteigert werden. Die Abscheidung von CO 2 aus dem Verbrennungsgas von Kraftwerken und seine sichere Lagerung nennt man Carbon Capture and Storage oder kurz CCS, die industrielle Nutzung von CO 2 aus dem Verbrennungsgas von Kraftwerken nennt man Carbon Capture and Utilisation oder kurz CCU. Auf diese Weise wird die Menge an CO 2, die in die Erdatmosphäre gelangt, verringert. 6/7

7 Hinweise für Lehrer für weitere Unterrichtselemente Weiterführende Anregungen für den Unterricht Vertiefende Recherchen und Kurzreferate zu folgenden Themen (Kleingruppenarbeiten) ab der 8. Schulstufe: Bau und Funktionsweise von Gas- und Dampfkraftwerken (inkl. Beispielen: Wo gibt es solche Kraftwerke?) Bau und Funktionsweise von Kondensationskraftwerken (inkl. Beispielen: Wo gibt es solche Kraftwerke?) Funktionsweise und Anwendungsgebiete von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung Vertiefende Recherchen zu CCS und CCU Recherche und Darstellung: Das Fernwärmenetz in Österreich bzw. das Fernwärmenetz in einer dem Schulstandort nahegelegenen Region Weiterführende Links auf Interaktive online 360 -Fotomotive Auf sehen Sie ein 360 -Fotopanorama, welches das Thema interaktiv veranschaulicht. + Die 360 -Fotokugel zeigt das Gas- und Dampfkraftwerk Timelkam in Oberösterreich, welches ein KWK-Kraftwerk ist. Trotz sorgfältiger Prüfung wird keine Gewähr für die inhaltliche Richtigkeit übernommen. Außer für Vorsatz und grobe Fahrlässigkeit ist jegliche Haftung von Herausgeber und Medieninhaber aus dem Inhalt dieses Werks ausgeschlossen. Diese Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten /7