AG Energiepolitik/Energiewirtschaft

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Einleitung

Kategorien

Auf dieser Seite sollen Fakten zum dem Thema Energiewirtschaft zusammen getragen werden, aber ohne eine Wertung oder politische Meinungsbildung. Diese wird an anderer Stelle erarbeitet.

Als Energiewirtschaft wird der Teil der Wirtschaft bezeichnet, der sich mit allen Handlungen von Institutionen, Betrieben und Menschen befasst, die im Bereich der Energieversorgung tätig sind. Dazu gehören die Erforschung und der Einsatz der Mittel, mit denen die nationale, aber auch die globale bedarfsgerechte Versorgung mit Energie dauerhaft gesichert werden kann. Im Einzelnen geht es um Energiegewinnung, Energiespeicherung, Energietransport und Energiehandel.

Um alle Aspekte in einer übersichtlichen Form aufzeigen zu können, wird ein Kategorisierungskonzept benötigt. Dieses befindet sich noch in Entwicklung. Siehe dazu auch:

Physik für Energiepolitiker

Kraft, Arbeit und Energie

Stell Dir vor, Du radelst gemütlich auf einem ebenen Weg dahin. Dann verrichtest Du im physikalischen Sinn eine Arbeit W. Diese ist umso größer, je weiter Du radelst. Um das Rad überhaupt in Bewegung zu setzen, musst Du eine Kraft F ausüben, also in die Pedale treten. Je schwerer Dein Rad ist, je rauer der Untergrund und je heftiger der Gegenwind, desto größer ist die erforderliche Kraft und auch die verrichtete Arbeit.

Offenbar gibt es verschiedene Arten von Arbeit. Wenn man einfach eine Wegstrecke s zurück legt, ist die Arbeit „Kraft mal Weg“, also

W=F·s

Wenn man beim Radeln einige Höhenmeter h gewinnt, kommt die Hubarbeit dazu, bei der man die Schwerkraft überwinden muss:

W=G·h = m·g·h

Dabei ist G die Gewichtskraft des gehobenen Körpers (Radl + Radler) mit der Masse m und g die Erdbeschleunigung, die angibt, wie stark die durch das Schwerefeld der Erde auf den Radler ausgeübte Anziehungskraft ist.

Dazu können noch weiter Kräfte kommen, so die Reibungskraft zwischen Reifen und Weg oder die durch den Gegenwind ausgeübte Kraft. Wenn Arbeit verrichtet wird, muss man also Kraft aufbringen. Der Kraft des Radlers wirken andere Kräfte entgegen, etwa die Schwerkraft (sie bewirkt hier einen Hangabtrieb) wenn es bergauf geht oder Reibung und Gegenwind; diese müssen durch größeren Krafteinsatz überwunden werden, wodurch auch die Arbeit ansteigt.

Die Energie E, um die es hier eigentlich geht, ist in der Physik sozusagen das andere Gesicht der Arbeit. Man könnte Energie als gespeicherte Arbeit oder vernichtete Arbeit bezeichnen. Wenn man als Radler glücklich die Höhe h erklommen hat, dann hat man durch die erhöhte Position so viel potentielle Energie erworben, wie man Arbeit aufgewendet hat, abzüglich der für Reibung und Gegenwind verbrauchten (oder vernichteten) Arbeit. Diese potentielle Energie kann bis zu einem gewissen Grad wieder in andere Energieformen umgesetzt werden. Wenn man beispielsweise den bergauf gefahrenen Weg mit dem Rad wieder hinunter saust ohne in die Pedale zu treten, wendet man keine Arbeit auf; dadurch wird die potentielle Lageenergie in Bewegungsenergie oder kinetische Energie umgewandelt. Fängt man oben mit der Geschwindigkeit 0 an und erreicht man am Ausgangspunkt die Geschwindigkeit v, dann ist die kinetische Energie

E=<math>\tfrac{1}{2}</math>·m·v2

Leider entstehen auch dabei durch Reibung und Gegenwind wieder Verluste, so dass die gewonnene kinetische Energie nicht ganz so groß sein wird, wie die zuvor gespeicherte potentielle Energie. Die in diesen Verlusten steckende Energie führt letztlich zu einer Erwärmung der Umgebung, so dass sie nicht mehr für die Verrichtung von Arbeit zur Verfügung steht. Man muss sich nur mal schnell kräftig die Hände reiben, dann merkt man gleich, dass Reibung in Wärme transformiert wird. Das Verhältnis aus erfolgreich umgewandelter Energie zur gesamten dafür eingesetzten Energie bezeichnet man als Wirkungsgrad η (gr. eta). Dieser ist natürlich immer kleiner als 1.

Die Leistung

Jetzt kommt noch etwas dazu, nämlich die Leistung P. Diese ist einfach als die pro Zeiteinheit t verrichtete Arbeit W definiert:

P=W/t

Wenn man also mit dem Radl die Höhe h in einer halben Stunde überwindet, hat man dieselbe Arbeit verrichtet und auch dieselbe potentielle Energie gewonnen, wie wenn man sich dafür eine Stunde Zeit lässt. Aber die Leistung ist für die schnellere Tour doppelt so hoch wie für die langsame. Man merkt dies auch deutlich, weil man zwar schneller oben ist, dafür aber mehr ins Schwitzen kommt.

Deshalb gibt man auch die Stärke von Motoren in kW (Kilowatt, früher PS) an, also in einer Leistungseinheit. Je mehr kW (PS) ein Automotor hat, umso schneller kann er in einer bestimmten Zeit eine bestimmte Arbeit verrichten. Ein Motor mit 100 kW könnte beispielsweise ein Auto in 12 Sekunden von 0 auf 100 km/h bringen und ein Motor mit 200 PS schafft dies vielleicht in nur 8 sec. Autos mit höherer Leistung müssen nicht notwendigerweise mehr Energie verbrauchen. In der Regel tun sie es aber doch, weil sie meist schwerer und größer sind, wodurch die Reibungsverluste, insbesondere durch den Luftwiderstand, ansteigen und weil man damit schneller fährt. Fatalerweise wächst der Luftwiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Wenn man also die Geschwindigkeit von 50 km/h auf 100 km/h verdoppelt, so vervierfacht sich der Luftwiderstand. Deswegen erreichen auch schwächer motorisierte Autos nicht so hohe Geschwindigkeiten wie ihre stärkeren Brüder.

Energiespeicherung und Energieumwandlung

Ein schönes Beispiel für die Energiespeicherung und der Umwandlung in eine andere Energieform ist das Pumpspeicherwerk: Man wendet mechanische Arbeit auf, um Wasser in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen. Damit hat man dann potentielle mechanische Energie gespeichert, die man bei Bedarf zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt wieder zurück gewinnen kann. Dazu leitet man das Wasser in Rohren nach unten in eine Turbine, die einen Generator zur Gewinnung elektrischer Energie antreibt. Auch hier geht natürlich Energie verloren, so dass der Wirkungsgrad kleiner als 1 ist, nämlich ungefähr η=0,8 bzw. 80%. Allgemein versteht man unter dem Wirkungsgrad η das Verhältnis aus der abgegebenen Leistung Pab, die nutzbringend verwendet werden kann, zu der insgesamt zugehührten Leistung Pzu

η=Pab/Pzu

Man kann also die im Wasserreservoir gespeicherte potentielle mechanische Energie in elektrische Energie umsetzen. Es gibt noch viele weitere Möglichkeiten der Energiespeicherung und Energieumwandlung. Beispielsweise lässt sich elektrische Energie in Batterien speicher; in Erdgas, Benzin oder Wasserstoff ist chemische Energie gespeichert und in Uran Kernenergie. Exotischere Energiespeicher sind Presslufttanks und Schwungräder und elektrische Kondensatoren. Wesentlich ist die beim Speichern erreichte Energiedichte, also die Menge an Energie, die pro Kilogramm Material oder auch pro Volumen gespeichert werden kann. Und natürlich wieder der Wirkungsgrad, der bei allen Speicherformen und Umwandlungsmöglichkeiten unvermeidlich zu Verlusten führt. Diese Energiedichte ist bei Uran am höchsten, bei Wasserstoff schon viel geringer, bei Benzin noch geringer und bei Batterien derzeit am geringsten. Die großen und schweren Batterien sind denn auch das Hauptproblem der Elektroautos. Aber andererseits haben Elektromotoren einen Wirkungsgrad von η≈0,85, während Verbrennungsmotoren nur ca. η≈0,35 erreichen.

Der Wirkungsgrad ist nicht nur bei Motoren von Bedeutung, sondern mehr noch bei Kraftwerken. Mit der direkten Gewinnung von Strom aus Sonnenlicht mit kommerziell verfügbaren Solarzellen (Photovoltaik) erreicht man etwa 15 % (Stand 2009), Kohlekraftwerke erreichen bis zu 45% und Kernkraftwerke aufgrund niedrigere Drücke und Temperaturen ca. 35%. Bei der thermischen Energieumwandlung ist die erzielbare Temperaturdifferenz der einschränkende Faktor. Der bei der Energieerzeugung in Wärmekraftwerken wichtige carnot'sche Wirkungsgrad ist einfach zu berechnen, er lautet:

η=(Twarm – Tkalt)/Twarm

Temperaturen werden dabei nicht in Grad Celsius gemessen, sondern in Kelvin, vom absoluten Nullpunkt (-273 °Celsius, entsprechend 0 Kelvin) gerechnet. Je heißer der Wasserdampf (typisch 500 bis 800 Kelvin) zum Betrieb der Turbine und je effizienter die Kühlung am Turbinenauslass (ca. 300 Kelvin), umso höher der Wirkungsgrad. Aus Sicherheitsgründen fährt man Kernkraftwerke mit niedrigeren Betriebstemperaturen, daher der niedrigere Wirkungsgrad. Aus physikalisch unvermeidbaren Gründen werden also in Kraftwerken ca. zwei Drittel der investierten Energie als Abwärme an die Umwelt abgegeben. Diese Abwärme wird dann über Kühltürme in die Luft gegeben oder heizt Flüsse bzw. das Meer oder Seen auf. Alternativ kann die Wärme auch als Nutzwärme in Fernwärmenetze eingespeist werden (Kraft-Wärme-Kopplung).

Energieerhaltung und Entropie

In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie des Systems immer konstant. Es gilt der fundamentale Energieerhaltungssatz: Energie kann also weder erzeugt noch vernichtet werden. Es ist technisch immer nur die Umwandlung von einer Energieform in eine oder mehrere andere möglich. Unvermeidbar wird dabei immer ein mehr oder weniger hoher Prozentsatz in (außer für Heizzwecke) kaum anderweitig nutzbare Wärme umgewandelt, also die ungeregelte Bewegung von Molekülen und Atomen. Diese Bewegung wird an benachbarte Teilchen weitergegeben, bis schließlich eine Gleichverteilung der thermischen Energie in der gesamten Umgebung stattgefunden hat.

Neben dem Energieerhaltungssatz gibt es ein ebenso wichtiges grundlegendes Naturgesetz: den Entropiesatz. Dieser besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems niemals abnehmen kann. Unter der Entropie versteht man ein Maß für den Ordnungsgrad eines Systems: je höher die Ordnung, desto geringer die Entropie. Ein Ansteigen der Entropie bedeutet also eine Abnahme der Ordnung. Wirft man beispielsweise ein Stück Zucker in eine Tasse Kaffee, so besteht zunächst ein geordneter Zustand: Kaffee und Zucker sind voneinander separiert. Doch der Zucker löst sich auf und verteilt sich gleichmäßig im gesamten Kaffee, bis sich für das System Kaffee+Zucker die maximale Entropie, d.h. die komplette Vermischung beider Komponenten eingestellt hat. Ähnlich ergeht es einer Bratpfanne, die man in einem Punkt erwärmt: Die Wärme verteilt sich über die gesamte Pfanne. Umgekehrte Prozesse, dass sich also der Zucker von selbst in einer Ecke der Kaffetasse sammelt, oder dass die Bratpfanne von selbst einen begrenzten heißen Fleck entwickelt, sind dagegen äußerst unwahrscheinlich. Man erkennt also den Anstieg der Entropie auch an einer Vorzugsrichtung der Zeit: Lässt man einen Film rückwärts laufen, verraten sich mit einer merklichen Entropiezunahme verbundene Prozesse dadurch, dass sie gegen Zeitumkehr nicht invariant sind.

Energieerhaltung und Entropiesatz gelten universell, also nicht nur für thermische Umwandlungsprozesse, sondern für ALLE physikalischen Prozesse. Eine (unmögliche) Apparatur, die den Energieerhaltungssatz verletzt, wäre ein Perpetuum Mobile erster Art, das gleichsam aus dem Nichts Energie gewinnt. Ein Perpetuum Mobile zweiter Art erfüllt zwar die Energieerhaltung, verletzt aber den Entropiesatz. Beispielsweise ist es unmöglich, ein Schiff zu bauen, das seine Energie zur Fortbewegung durch Abkühlen des Ozeans gewinnt, der ja genau genommen ein gigantischer Wärmespeicher ist. Zur Energiegewinnung nutzbar wäre nur die Temperaturdifferenz aus Oberflächenwasser und Tiefenwasser. Diese Temperaturdifferenzen sind aber klein und folglich auch der Wirkungsgrad.

Bei energetischen Prozessen sind immer der Energieerhaltungssatz die Entropie mit im Spiel. Es handelt sich um reversible und irreversible Kreisprozesse, bei denen Druck, Temperatur, Energie und Entropie in sensiblen Zusammenhängen miteinander verknüpft sind. Es geht letztlich immer um die Temperaturdifferenz zwischen zwei Reservoirs, bei der Energieumwandlung (oder gebräuchlich, aber falsch: Energieerzeugung) in thermischen Kraftwerken, der Umsetzung gespeicherter, chemischer Energie in mechanische Arbeit (Verbrennungsmotoren), der Kühlung in Klimaanlagen oder Gefrierschränken. Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich: sie entzieht der Umwelt - beispielsweise der Gartenerde oder dem Grundwasser - unter Einsatz elektrischer Energie bzw. mechanischer Arbeit Wärme und kann diese Wärme auf ein höheres Temperaturniveau für Heizzwecke "hochpumpen".

Physikalische Einheiten und Umrechnungen

Die Dimensionen (Benennungen) ausnahmslos aller physikalischen Größen werden unabhängig vom verwendeten Maßsystem auf die sieben Basisgrößen Länge, Masse, Zeit, elektrische Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke zurück geführt.

Das Messen physikalischer Größen kann im Prinzip durch willkürliche Einheiten geschehen, als international anerkannter Standard gelten jedoch die in der folgenden Tabelle definierten und durch das Internationale Einheitensystem (SI) festgelegte Basiseinheiten.

BasisgrößeXXBasiseinheitX Zeichen
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Zeit Sekunde s
Stromstärke Ampere A
Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Lichtstärke Candela cd

Die Einheiten aller anderen physikalischen Größen sind von diesen Basiseinheiten abgeleitet. Die hier verwendeten lauten:

GrößeEinheitXXZeichenXXFormel
KraftNewtonNkg·m/s2
DruckPascalPa N/m2 = kg/m/s2
ArbeitJouleJ kg·m2/s2
EnergieJouleJ kg·m2/s2
WärmemengeJouleJkg·m2/s2
LeistungWattWJ/s = kg·m2/s3
elektrische LadungCoulombCA·s
elektrische SpannungVoltV kg·m2/s3/A
elektrischer WiderstandXOhmΩ V/A = kg·m2/s3/A2

Zur Bezeichnung sehr großer und sehr kleiner Größenangaben benutzt man die folgenden Vorsilben:

VorsilbeXZeichenXGrößeX |X VorsilbeXZeichenXGröße
Dekada101 | Dezid10-1
Hektoh102 | Zentic10-2
Kilok103 | Millim10-3
MegaM106 | Mikroµ10-6
GigaG109 | Nanon10-9
TeraT1012 | Pikop10-12
PetaP1015 | Femtof10-15


--Hartmut 00:04, 18. Dez. 2009 (CET)

Fossile Brennstoffe

Überblick

Bei der Energiegewinnung aus der Verbrennung fossiler Brennstoffen werden Abbauprodukte von toten Pflanzen und Tieren verwendet, also organische Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die sich in geologischer Vorzeit abgelagert haben. Diese sind Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Erdgas. Vor Jahrmillionen wurde in diesen Stoffen im Kohlenstoffkreislauf lebender Organismen letztlich Sonnenernergie in Form energiereicher Kohlenstoffverbindungen gespeichert (Karbonisierung). Durch Verbrennung, d.h. Oxidation von Kohlenstoff C und Sauertoff O2 zu Kohlendioxid CO2, kann diese Energie in Form von Wärme wieder frei gesetzt und genutzt werden. Vorrangig geschieht dies zur Elektrizitätserzeugung in Kraftwerken, zu Heizzwecken und zum Betrieb von Fahrzeugen. Im Jahr 2009 wurden ca. 85 % des Weltenergieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen gewonnen.

Braunkohle

Braunkohle entstand in einem jüngeren Erdzeitalter als die hochwertigere Steinkohle. Sie ist daher weniger fest und hat mit 60% bis 75% einen geringeren Kohlenstoffanteil als Steinkohle, aber einen höheren Anteil an Fremdstoffen. Insbesondere der enthaltene Schwefel (ca. 3%) ist neben dem bei der Verbrennung entstehenden Kohlendioxid sehr umweltschädigend (saurer Regen). Braunkohle wird meist im Tagebau gewonnen und fast ausschließlich zur Stromerzeugung verwendet. Problematisch ist neben den Emissionen auch die mit dem Tagebau einhergehende erhebliche Landschaftszerstörung. Der Brennwert von Braunkohle ist mit ca. 10 MJ/kg deutlich geringer als der von Steinkohle. Braunkohle ist der preisgünstigste fossile Brennstoff, daher dienen Braunkohlekraftwerke ausschließlich zur Deckung der Grundlast bei der Stromerzeugung.

Unter Grundlast versteht man den minimalen Anteil an elektrischer Energie, der in einem elektrischem Energiesystem dauerhaft nachgefragt wird. Dieses Minimum wird zumeist nachts erreicht, im Sommer. Am wirtschaftlichsten ist es, wenn man für die Deckung der Grundlast-Kraftwerke einsetzt, die möglichst geringe variable Kosten haben[1]. Auf eine schnelle Regelbarkeit wird dabei kein Wert gelegt, da Grundlastkraftwerke ohnehin rund um die Uhr laufen.

Steinkohle

Steinkohle stammt aus geologisch älteren Schichten als Braunkohle. Mit einem Kohlenstoffanteil von 75% bis 90%, einem Brennwert von ca. 30 MJ/kg und einen geringeren Anteil an Fremdstoffen ist sie hochwertiger als Braunkohle. Allerdings ist der Abbau aus meist tiefen Bergwerken teuer. In Deutschland soll der Kohlebergbau bis 2018 eingestellt werden.

Steinkohle wird hauptsächlich in thermischen Kraftwerken zur Elektrizitätsgewinnung eingesetzt sowie in der Stahlindustrie als Koks zur Reduzierung von Eisenerz im Hochofen. Als Rohstoff für die chemische Industrie wurde die Steinkohle weitgehend durch Erdöl abgelöst, aber bei Mangel an Erdöl besteht die aufwändige und teure Möglichkeit der Kohleverflüssigung. Steinkohle wird wie Braunkohle zur Deckung der Grundlast verwendet, aber auch in Mittellastkraftwerken, da sie sich aufgrund der geringeren Massenströme besser regeln lassen als Braunkohle- oder Kernkraftwerke. In Mittellastkraftwerken werden normale periodische Schwankungen im Elektrizitätsbedarf abgedeckt, vor allem im Rhythmus von Tag und Nacht.

Erdöl

Erdöl ist wie Kohle und Erdgas ein fossiler Energieträger mit einem Kohlenstoffanteil von 83% bis 87%. Ab ca. 1860 begann die petrochemische Aufbereitung (Raffinierung) von Rohöl in industriellem Maßstab. Dabei entstehen, nach Siedepunkt geordnet, Gase, Kerosin (Flugbenzin), Gasöl (Diesel und Benzin), Schmieröl, Heizöl, Schweröl, Bitumen und feste Rückstände (Petrolkoks), die durch Schwermetalle belastet sind.

Der Brennwert von Erdöl liegt bei ca. 35 MJ/kg. Für Benzin beträgt er 47 MJ/kg, für Diesel 45 MJ/kg und für Kerosin 43 MJ/kg. Zum Vergleich: Biodiesel erreicht nur 40 MJ/kg. Die entstehenden Produkte werden hauptsächlich zum Betrieb nahezu aller Verkehrsmittel (gut transportabler Energiespeicher mit hoher Energiedichte), zur Elektrizitätsgewinnung in thermischen Kraftwerken und als Rohstoff für die chemische Industrie genutzt. Derzeit ist Erdöl der wichtigste Rohstoff der Industriegesellschaft.

2009 wurden ca. 85 Millionen Barrel (ein Barrel = 159 Liter ≈ 200 kg) Rohöl pro Tag gefördert. 62% davon stammen aus dem nahen Osten, auf Platz zwei liegt mit 12% Eurasien. Mit momentaner Technik reichen die derzeit bekannten Lagerstätten bei gleichbleibendem Verbrauch noch für ca. 40 Jahre (statistische Reichweite). Durch aufwändigere Fördermethoden und Exploration vermuteter Lagerstätten (Ressourcen) und Erschliessung nicht konventionellen Erdöls (Schweröle, ölsande und -schiefer) könnte diese Zeit auf ca. 100 Jahre ausgedehnt werden. Das Fördermaximum wird zwischen 2010 und 2020 erwartet, siehe Peak Oil[2][3]. Danach dürfte der steigende Bedarf nicht mehr durch die bestehenden Produktionskapazitäten gedeckt werden können, was sich in Preissteigerungen bemerkbar machen wird.

Zur Grundversorgung mit Elektrizität werden mit Erdöl betriebene Dampfkraftwerke hauptsächlich in den erdölfördernden Ländern betrieben. Neben der reinen Stromerzeugung dienen diese dort auch zur Meerwasserentsalzung, was den Wirkungsgrad insofern erhöht, als dafür die Abwärme genutzt wird. Außerdem sind mit Dieselmotoren ausgerüstete Kleinkraftwerke bis einigen 10 MW Leistung zur Versorgung entlegener Regionen und als Notstromaggregate im Einsatz.

Erdgas

Erdgas ist ein hauptsächlich aus Methan (CH4) und längeren Kohlenwasserstoffen (Propan, Butan) bestehender, gasförmiger, fossiler Brennstoff, der in unterirdischen Lagerstätten gefunden wird. Je nach Lagerstätte sind auch einige Prozent Kohlendioxid enthalten, manchmal auch Schwefelwasserstoff - dann spricht man von Sauergas.

In erster Linie wird aufbereitetes Erdgas für Heizzwecke, zur Erzeugung industrieller Prozesswärme, zur Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken sowie in der chemischen Industrie (z.B. für die Ammoniaksynthese) eingesetzt. Als Treibstoff für Kraftfahrzeuge spielt Erdgas nur eine geringe Rolle. Der Heizwert liegt bei ca. 50 MJ/kg bzw. 40 MJ/m3.

Mit Gas betrieben Kraftwerke zur Stromerzeugung haben den Vorteil, dass sie schnell hochgefahren werden können und sehr gut regelbar sind; der Wirkungsgrad liegt bei reinen Gasturbinen bei 35-40% und bei modernen GuD-Anlagen bei 55-60%. Aufgrund der geringen Kapitalbindung (400-800 Euro/kW) eigenen sich gut für die Vorhaltung von zusätzlicher Leistung bei Spitzenlasten. Übliche Leistungen sind 50-400 MW.


Kernenergie

Kernspaltung

  1. Beschreibung
    • Bei einer Kernspaltung (Kernreaktion) trifft ein frei herumfliegendes Teilchen Neutron ein Atom, welches sich durch den Aufprall teilt. Durch den Spaltungsprozess werden, neben Strahnung, weitere Neutronen freigesetzt welche bei einem erneuten Aufprall ein Atom Teilen können. Eine sogenannte Kettenreaktion tritt ein. Der weiter Verlauf der Reaktion wird von den Umgebungsbeinungen bestimmt (Masse das Spaltmaterials, Umgebundsdruck und Temperatur...). Ein Atom besteht im Atomkern aus Neutronen und Protonen, sowie in der Atomhülle aus Elektronen. Normalerweise hat der Atomkern gleich viele Protonen wie die Ordnungszahl im Periodensystem angegeben ist. Wenn aber jetzt mehr oder weniger Neutronen, als die Ordnungszahl angibt, im Kern vor handen sind – spricht man von einem Isotop. Uran kommt in der Natur als Isotope U-235 und als U-238 vor. Bei dieser Spaltung entsteht Wärme. Mit Hilfe dieer Wärme wird Wasser erhitzt und der Wasserdampf zum Antrieb von Turbinen genutzt. Die Restwärme wird in verschiedenen Stufen u.A. in typischen Kühltürmenauf annährend Umgebungstemperatur abgekühlt und abgeführt.
  2. Arten von Reaktoren
    • Thermische Reaktoren (langsame Neutronen): Siedewasser-, Druckwasser- (Schwerwasser-), graphitmoderierter Reaktor, Hochtemperaturreaktoren
    • Schnellen Brüter (schnelle Neutronen): Brutreaktoren
    • Forschungen: Reaktoren der 4. Generation
  3. Brennstoffkreislauf
    • Gewinnung: Abbau, Anreicherung, Wiederaufbereitung
    • Entsorgung: Endlagerung

Kernfusion

  1. Beschreibung
    • Kernfusion ... Energienutzung ... Verschmelzung zweier Atome ...
  2. Arten von Kernfusion
    • Magnetischer Plasmaeinschluss
    • Trägheitseinschluß
  3. Brennstoffwirtschaft
    • Deuterium, Tritium, ...


Sonnenenergie

Solarthermie

  1. Beschreibung
    • Solarthermieanlagen nutzen die Strahlung der Sonne um Wärmeträgermedien zu erhitzen oder zu erwärmen. Die Strahlung kann hierbei für eine zentrale oder dezentrale Energienutzung, zur Wärme- oder Stromerzeugung, verwendet werden.
  2. Arten von Solarthermieanlagen

Photovoltaik

  1. Beschreibung
    • Bei der Photovoltaik wird Sonnenlicht mittels Solarzellen (Wikipedia) direkt in elektrischen Gleichstrom umgewandelt. Die Grundlage der Stromerzeugung beruht auf dem photoelektrischen Effekt (Wikipedia).
  2. Arten von Photovoltaikanlagen
    • ...


Sonstige

  • Photosynthese
  • Algen --> Wasserstofferzeugung
  • Aufwindkraftwerke


Windenergie

Windkraftanlagen

Eine Windkraftanlage (WKA) wandelt die Bewegungsenergie der Windströmung in elektrische Energie um. Die Rotorblätter nehmen die Windenergie auf und werden dadurch in Bewegung versetzt. Der Rotor gibt die Rotationsenergie an einen Generator weiter, welche dort in elektrischen Strom umgewandelt wird. (Prinzip wie beim Fahrrad-Dynamo)

Neben der etablierten Stromerzeugung aus Wasserkraft ist die Windenergienutzung die erneuerbare Energietechnologie mit einem fortgeschrittenem Reifegrad. In 2009 wird weltweit eine installierte Kapazität von rund 150 GW erwartet[4].

Wasserkraftwerke

Die Wasserkraft ist eine erneuerbare Energie, die schon vor und in der Frühphase der industriellen Revolution in Mühlen zum Antrieb von Maschinen genutzt wurde. Global gesehen stellt sie die wichtigste erneuerbare Energie zur Stromerzeugung dar. In Deutschland ist das Potential allerdings zum größten Teil erschlossen (rund 20 TWh/a bei maximal 25 TWh/a). Weiterer, begrenzter Zubau wird nur noch bei der Reaktivierung alter Standorte von Kleinwasserkraftwerken erwartet, sowie der Erneuerung bestehender Anlagen.

Laufwasserkraftwerk

Laufwasserkraftwerke stehen an Fließgewässern, die einige wenige Meter über ein Wehr aufgestaut werden. Üblicherweise wird mit einer Kaplanturbine (hoher Durchfluss, geringe Fallhöhe) die Energie des fließenden Wassers auf einen Generator übertragen. Laufwasserkraftwerke werden durchgängig in der Grundlast betrieben, da sie nur schlecht steuerbar sind (keine große Speichermöglichkeit für das Wasser) und von dem jahreszeitlichen Wasserangebot wie der Schneeschmelze im Frühjahr abhängig sind.

Speicherwasserkraftwerk

Beim diesem Kraftwerk wird das Wasser mit einer Staumauer zu einem Reservoir / Stausee aufgestaut. Die Stauhöhe ist höher als bei einem Laufwasserkraftwerk und in der Regel wird das Stauvolumen auch zur Wasserregulierung d.h. Vermeidung von Überschwemmungen genutzt. Speicherseen sind wegen der aufwendigen Bauten des Sperrwerkes in topologisch günstigen Gebirgslagen gelegen. Das Kraftwerk nutzt aufgrund der höheren Fallhöhe Francis- und Pelton-Turbinen. Speicherwasserkraftwerke sind gut regelbar und können Spitzenstrom und Regelenergie bereitstellen.

Pumpspeicherkraftwerk

Im Pumpspeicher gibt es zwei Wasserbecken, welche durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Falls günstig Energie im Stromleitungsnetz verfügbar ist, wird diese Energie dafür verwendet, das Wasser von dem tiefer gelegenen Becken in das höher gelegene Becken zu pumpen. Zu Zeiten mit hohem Strompreis, kann das Wasser einfach wieder zurück in das untere Becken laufen. Während das Wasser durch die Leitungen nach unten läuft, werden Turbinen angetrieben. An die Turbinen sind Generatoren angeschlossen, welche den Strom erzeugen.

Ein reines Speicherwasserkraftwerk mit natürlichem Zulauf kann durch die Anlage eines kleinen Unterbeckens als Wasserpuffer und einer Pumpengruppe zu einem Pumpspeicher erweitert werden.

Gezeitenkraftwerk

Bei einem Gezeitenkraftwerk wird Tidenhub zwischen Ebbe und Flut ausgenutzt. In einen Staudamm über eine Meeresbucht mit hohen Gezeiten befinden sich Öffnungen, in die Turbinen eingelassen sind. Zur Flut strömt das Wasser ins Becken, wenn die Ebbe einsetzt fließt es wieder durch die Turbine ins offene Meer. Aufgrund der hohen Anforderungen bzgl. des Korrosionsschutzes, der begrenzten Anzahl an Standorten mit hohen Gezeiten und der Umweltauswirkungen des Sperrwerkes sind bisher neben St. Malo (240 MW) noch keine nenneswerten Kapazitäten in Betrieb gegangen.

Osmosekraftwerk

Die Art von Kraftwerk nutzt zwei unerschiedliche Flüssigkeiten (einmal Wasser mit hohem sowie Wasser mit niedrigem Salzgehalt). Beide Wassersorten werden durch eine feine Membran miteinander vernetzt. Durch diese Membran passen aber keine Salzkristalle (weder gelöst noch fest), sondern nur das Wasser. Beide Seiten haben aber nun den Drang die selbe Konzentration an Salz zu besitzen. Da sich auf einer Seite nun aber mehr Salzkristalle in der Lösung befinden, muss nun auch mehr Wasser dorthin und dieselbe Konzentration zu haben als die zweite Seite. Wenn das Wasser durch die Membran strömt, baut sich natürlich auch ein höherer Druck auf. Durch diesen Druck kann man natürlich Turbinen antreiben. Dieser Kraftwerkstyp ist noch im F&E-Stadium, ein erstes Funktionsmodell im kW-Bereich wird im Norwegischen Trondheim erprobt.

Wellenkraftwerk

Zur Nutzung der Wellenenergie gibt es verschiedene Ansätze, von denen bisher noch keine einen kommerziellen Durchbruch erzielt hat.

  1. Ein mehrgliedriges System mit mehreren Gliedern schwimmt auf der Wasseroberfläche (wie eine Seeschlange). Durch Wellenbewegung werden dies Glieder zueinander bewegt, die über Hydraulikzylinder miteinander verbunden sind. Die Bewegung setzt das Hydrauliköl in Bewegung, wodurch man über einen hydrostatischen Generator mechanische bzw. elektrische Energie abgreifen kann.
  2. Ein Schwimmer wird durch die Wellenbewegung angehoben und gesenkt. Innerhalb des Schwimmers kann ein federnd gelagertes Gewicht Relativbewegungen zum Rest der Struktur vollführen. Über einen Lineargenerator erzeugt diese relativbewegung Strom.
  3. An einer Steilküste sind Kammern installiert, die zu Hälfte unter Wasser liegen. Das Wasser tritt durch die Wellenbewegung periodisch ein und aus und verdichtet die Luft in der Kammer, die am oberen Ende durch eine Öffnung austritt bzw. einströmt. Dort ist eine Wells-Turbine installiert, die die oszillierende Luftbewegung in elektrische Energie umwandelt.

Biomasse

Blockkraftwerke

( Erzeugung von Energie aus angebauten Monokulturen und / oder Abfällen aus Forst- und Landwirtschaft )

Biotreibstoffe

(Pflanzenöl, Ethanol,...)

Erdwärme

Meereswärmekraftwerk

( ozeanothermisches Gradient-Kraftwerk )

Wärmepumpenheizung

Erdwärmeübertrager / Sole-Erdwärmeübertrager

ergänzen


Kraftwerkstypen

Dampfkraftwerk

Zur Erzeugung elektrischer Energie wird der Brennstoff (Braunkohle, Steinkohle, Biomasse) in thermischen Kraftwerken oder Dampfkraftwerken in einem Kessel oder Dampferzeuger verfeuert. Im Kernkraftwerk wirkt der Reaktor als Wärmequelle, bei einem solarthermischen Kraftwerke ist es das Kollektorfeld. Die Wärme erhitzt das Kesselwasser und verdampft es je nach Auslegung auf 500 bis 800 Kelvin. Der Sattdampf wird ggf. überhitzt, so dass er unter hohem Druck und mit hoher Temperatur auf die Dampfturbinen trifft. Das Rauchgas wird mehrstufig gereinigt, neben einer Entstaubung mittels Elektrofilter und/oder Gewebefilter ist dies die Entschwefelung (REA) und die Entstickung (DeNOx).

Der Wasserdampf treibt Dampfturbinen an, wobei er sich entspannt und auf ca. 400 Kelvin (entsprechend etwas mehr als 100 °Celsius) abkühlt. Die in der ungeregelten Bewegungsenergie der Wassermoleküle gespeicherte Energie in dem unter Druck stehenden Wasserdampf wird dabei in Rotationsenergie umgesetzt. Da die Temperatur des Wasserdampfs am Turbinenauslass jedoch noch weit höher als die Umgebungstemperatur liegt, beträgt der Wirkungsgrad nur 35% bis 50%. Die Turbinen treiben nun ihrerseits Generatoren an, in denen die Rotationsenergie in elektrische Energie umgesetzt wird. Dies geschieht mit einem hohen Wirkungsgrad von ca. 90%, der Rest wird als Wärme an die Umgebung abgegeben. Thermische Kraftwerke arbeiten am wirtschaftlichsten in Großanlagen mit Leistungen von einigen 100 bis über 1000 MW.

Zur Wärmeabfuhr benötigen thermische Kraftwerke eine effiziente Kühlung, um den Wasserdampf wieder zu Wasser zu kondensieren, das dann in einem Kreislauf erneut dem Kessel zugeführt wird. Die Kühlung erfolgt entweder durch Aufheizen von Wasser aus benachbarten Flüssen und Seen oder in Kühltürmen, in denen der Wasserdampf seine Wärme an die Umgebungsluft abgibt.

  • Vorteilhaft ist, dass Abbau und Transport fossiler Brennstoffe auf einem hohen technischen Niveau sind. Dasselbe gilt auch für die Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken. Auch die Stromerzeugungskosten sind volkswirtschaftlich gesehen allen Preissteigerungen zum Trotz vergleichsweise günstig. Blockheizkraftwerke bieten zudem als Übergangslösung einen höheren Wirkungsgrad als reine Kraftwerke zur Stromerzeugung sowie eine wünschenswerte dezentralisierte Versorgung.
  • Problematisch ist zum einen, dass bei der Verbrennung CO2 und andere schädliche Stoffe freigesetzt werden - mit den bekannten negativen Auswirkungen für das Weltklima und die Gesundheit - und dass die Vorräte mit einem Zeithorizont von maximal einigen hundert Jahren endlich sind. Dazu kommen die landschaftszerstörende Wirkung des Abbaus und die Problematik der Entsorgung von Restprodukten, u.a. radioaktiver Schlamm bei der Erdölverarbeitung.
  • Fazit: An einer mittel- bis langfristigen Ersetzung der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen führt kein Weg vorbei. Alternativen müssen erforscht und realisiert werden, parallel dazu sind Maßnahmen zur Energieeinsparung erforderlich.

Gasturbinenanlagen

heavy-duty & aeroderivative

GuD-Kraftwerk

Im Spezialfall der Befeuerung mit Erdgas (und auch Heizöl extra leicht HEL) wird meist in einer ersten Stufe eine Gasturbine (ähnlich wie in einem Flugzeug) verwendet, die direkt einen Generator antreibt. Die Austrittsgase sind noch sehr heiß und können dann in einer zweiten Stufe in einem Abhitzekessel Dampf erzeugen und den oben beschreibenen Kreissprozess antreiben. Die Kombination von Gas- und Dampfturbine (GuD-Kraftwerk) ermöglicht mit bis zu 60% die höchsten Wirkungsgrade bei der Verstromung fossiler Brennstoffe. Neben Erdgas ist auch die Verwendung von Biogas oder SNG (= synthetisches Erdgas) aus der Vergasung biogener Feststoffe denkbar.

Heizkraftwerk

Für die naheliegende Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken, so wie dies in Heizkraftwerken und kleineren Blockheizkraftwerken geschieht, sind diese Großanlagen allenfalls in Industriebetrieben zur Lieferung von Prozesswärme sowie in Ballungsräumen zum Speisen von Fernwärmenetzen geeignet, da der Wärmetransport über große Strecken zu aufwändig ist.

In industriellen KWK-Anlagen wird die Wärme üblicherweise in Form von heißem Wasserdampf (Prozessdampf) bereitgestellt. Der abgekühlte Wasserdampf kondensiert unter Wärmeabgabe und wird über eine Kondensat-Leitung zurück zum Heizkraftwerk geführt. Fernwärmenetze zum Beheizen von Gebäuden werden üblicherweise als Heizwassernetze mit witterungsgeführter Vorlauftemperatur (bis 120°C) betrieben, vereinzelt sind auch noch Dampfnetze in Betrieb, die aber aus Kostengründen auf Heizwasser umgestellt werden. Die Wärme wird neben der Raumheizung zur Warmwasserbereitung und über Absorptionskältemaschinen auch zu Klimatisierung genutzt[5].

Bei den größeren Heizkraftwerken gibt es zwei Arten, wie die Wärme vom Wasser-Dampf-Kreislauf über Heizkondensatoren ins Wärmenetz gelangen kann. Zum einen verwendet man Gegendruckturbinen, die den Dampfmassenstrom nicht vollständig entspannen, sondern einen Restdruck übrig lassen, der dann im Heizkondensator für entsprechend hohe Nutztemperaturen sorgt. Zum anderen gibt es Entnahmedampfturbinen, bei der eine Teil des Dampfes in den Heizkondensator geleitet weden kann. Letztere Variante hat eine größere Flexibilität, da je nach Wärmebedarf der Dampfstrom zwischen dem Niederdruck-Teil der Turbine für maximale Stromproduktion oder dem Heizkondensator für maximalen Nutzwärmestrom gewählt werden kann.

Blockheizkraftwerk

Voraussetzung für ein wirtschaftliches Arbeiten von KWK-Anlagen ist wegen der Energieverluste beim Wärmetransport eine räumliche Nähe zwischen Heizkraftwerk und Abnehmer. Sofern nicht wie in hochverdichteten Ballungsräumen oder bei industriellen Abnehmern eine hohe Wärmesenkendichte vorherrscht, bedingt dies relativ kleine Anlagen und eine starke Dezentralisierung.

Bei einem Blockheizkraftwerk (BHKW) wird wie beim Heizkraftwerk nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung elektrische Energie erzeugt und gleichzeitig die entstehende Abwärme als Nutzwärme verwendet. Block steht hierbei für eine Modulbauweise eher kleinerer Größen von kW bis etwa 10 MW. Üblicherweise sind die Module Verbrennungsmotoren, es können aber auch Gasturbinen, Stirlingmotoren oder auch Brennstoffzellen sein.

Je nach Technik beträgt der Wirkungsgrad für die Erzeugung elektrischer Energie bei Mini-KWK-Anlagen[6] für Einfamilienhäuser und Wohnblocks mit ca. 1 bis 20 kW Leistung etwa 20%-30%; bei größeren Anlagen über 1 MW werden insbesondere bei Dieselmotoren 45% erreicht[7]. Zur Stromerzeugung kommt die Nutzung der Wärme hinzu, so dass bezogen auf den Primärenergieeinsatz Gesamtwirkungsgrade von 80% bis 90% erreicht werden.

Trotz des vorwiegenden Einsatzes von fossilen Brennstoffen (Erdgas oder Heizöl) ist die Ökobilanz also vergleichsweise günstig. Der differentielle Wirkungsgrad eines BHKWs liegt bei ca. 90% (= erzeugte elektrische Energie / zusätzlich benötigter Brennstoff). Gegenüber dem Strom aus dem Netz spart jede kWh aus einem erdgasbetriebenen BHKW gut ein halbes Kilogramm CO2 ein.

Eine Alternative zur Verwendung von Motoren ist für kleine BHKW der Einsatz von Brennstoffzellen, die als elektrochemische Zelle ohne bewegliche Komponenten aus der indirekten Oxidation über eine Membran elektrischen Strom und Wärme erzeugt. Das Erdgas wird dabei bei Hochtemperatur-Brennstoffzelle wie der SOFC direkt genutzt oder per Reformierung in ein wasserstoffreiches Synthesegas umgewandelt und dann dem BZ-Stapel zugeführt.

Zu beachten ist, dass Blockheizkraftwerke üblicherweise auf die Grundlast des Wärmebedarfs ausgelegt werden und der Spitzenbedarf für Wärme durch einen klassischen Kessel gedeckt wird. Ein Wärmespeicher (ein Warmwassertank ähnlich einem Solarspeicher bei der Solarthermie) kann dabei helfen, kleinere Spitzen abzufahren und entkoppelt die Wärmeerzeugung und den Bedarf zeitlich. Damit lässt sich das BHKW auch zeitweise stromgeführt betreiben, d.h. der schlecht speicherbare Strom wird dann produziert wenn er benötigt wird und die Wärme wird zwischengespeichert.

Entscheidend ist, dass der nicht selbst verbrauchte Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist und dass bei Bedarf zusätzlicher Strom aus dem Netz entnommen werden kann. Wirtschaftlich vorteilhafter ist es jedoch bei den kleinen, gebäudeintegrierten BHKW den Anteil der Rückspeisung zu minimieren, da substituierter Fremdbezug i.d.R. mehr Geld einspart als die Vergütung der Einspeisung. Eine Optimierung des Gesamtsystems erreicht man durch Kopplung einer großen Anzahl kleiner, regional gestreuter BHKW zu virtuellen Kraftwerken, die Systemdienstleistungen zur Netzstabilisierung übernehmen können.

BHKW können auch mit nachwachsenden Rohstoffen, beispielsweise Biodiesel oder Holzpellets betrieben werden. Der ins öffentliche Netz eingespeiste Strom wird bei Verwendung biogener Rohstoffe nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz vergütet. Mit fossilen Brennstoffen betriebene KWK-Anlagen erhalten eine Förderung nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz.

Referenzen

  1. ↑ Anpassung der Kraftwerksstruktur (Abb. 2)
  2. ↑ Colin Campbell (2000): PEAK OIL - A Turning Point for Mankind (Video)
  3. ↑ Colin Campbell (2000): PEAK OIL - A Turning Point for Mankind (Vortragstext)
  4. ↑ World Wind Energy Report 2008
  5. ↑ Fernkältenetz in Chemnitz
  6. ↑ BMU, IZES (2009): Strom, Wärme und Klimaschutz: Ein Leitfaden für kleine Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
  7. ↑ ASUE (2005): BHKW-Kenndaten
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