Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 4

    • Technologien zur Gewinnung elektrischer Energie


      Allgemeines
      Moderne Gesellschaften haben einen hohen Energiebedarf. Die genutzten Energieformen sind dabei elektrische Energie für den Betrieb technischer Geräte und der Erzeugung von Licht, Wärme zum Heizen und chemische Energie als Kraftstoff, um daraus Bewegungsenergie zu gewinnen. Elektrische Energie und Wärme müssen dabei durch die technische Umwandlung aus anderen Energieformen erzeugt werden. Für die chemische Energie werden derzeit hauptsächlich fossile Energieträger (Öl, Gas und Kohle) verwendet. Wie in Lektion 3 erwähnt, sind generell Umwandlungen zwischen allen Energieformen denkbar, technisch werden aber nur wenige für die Bereitstellung von Energie genutzt. Hier ein paar Beispiele von relevanten Energieumwandlungen.



      Erzeugung von Strom mittels Turbinen und Generatoren
      Dampferzeugung aus chemischer Energie
      Kraftwerke, die aus fossilen Energieträgern (Kohle, Öl, Gas), Müll oder Holz elektrische Energie gewinnen, wandeln die chemische Energie in den Energieträgern in drei Schritten um. Sie erzeugen zunächst Wasserdampf mit hoher Temperatur und hohem Druck, der dann über Turbinen und Generatoren in Strom umgewandelt wird. Dabei wird zunächst chemische Energie in Wärme umgewandelt. Dies passiert, in dem eine chemische Reaktion herbeigeführt wird bei der die organischen Verbindungen mit Sauerstoff reagieren und zu CO2 und Wasser oxidiert werden.

      Es wird ein Brennstoff in einem Brenner (1) mit genügender Sauerstoffzufuhr verbrannt, die entstehenden Abgase sind heiß und werden in ein Flammrohr (2) und in Rauchrohre (3) weitergeführt, an denen Wasser in Rohren vorbeifließt, welches dadurch erhitzt wird. Das Wasser liegt durch die große Hitze nur noch als Wasserdampf vor, der gleichzeitig einen großen Druck erzeugt.

      Hier wird also erst chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, die dann auch in mechanische Energie umgewandelt wird, die dem Dampfdruck des Wassers entspricht. Wenn einfach nur Wärme erzeugt werden soll, zum Beispiel in einer Heizung, wird dasselbe Prinzip angewendet nur mit geringeren Temperaturen.

    • Turbinen - Umwandlung von Bewegungsenergie in Bewegungsenergie
      Turbinen nehmen die Energie strömender Materie (Luft, Wasser oder Wasserdampf) auf und wandeln diese in mechanische Energie um. Diese mechanische Bewegung besteht in der Drehbewegung einer Welle (langgezogenes Maschinenteil), die meist auf einen Generator übertragen wird, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Es gibt verschiedene Arten von Turbinen. Thematischer Fokus dieser Lektion ist die Dampfturbine. In späteren Teilen der Lehrveranstaltung werden noch weitere Turbinen, wie das Windrad oder Wasserturbinen, betrachtet.

      Für die Umwandlung des Druckes von Wasserdampf in Bewegung wird die sogenannte Dampfturbine verwendet. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass hier Wasserdampf unter Druck an mehreren Laufrädern vorbeigeführt wird. Dabei nimmt die Größe der Laufräder zu.

      (Grafik: "Aufbau einer Ossberger Turbine" von Ossberger GmbH+Co auf wikimedia commons, Lizenz: CC-BY-SA 2.0)

      Meist sind Turbinen mit einem elektrischen Generator gekoppelt und werden für die Stromerzeugung genutzt. Die Gasturbine kann auch auf diese Art verwendet werden, wird aber auch dazu verwendet um direkt die mechanische Energie nutzbar zu machen, zum Beispiel bei Flugzeugen. Bei ihr ist die Verbrennung von Gas oder Kraftstoff direkt mit der Turbine gekoppelt. Ansonsten ist ihre Funktion der einer Dampfturbine ähnlich.

    • Elektrischer Generator - Umwandlung von Bewegungsenergie in Strom
      Der elektrische Generator ist Teil vieler verschiedener Kraftwerkstypen, in denen zunächst Bewegungsenergie an einer Turbine erzeugt wird, die dann in einem zweiten Schritt in Strom umgewandelt wird. Bei der Gewinnung von elektrischer Energie aus Kernenergie, fossilen Brennstoffen, Wind und Wasserkraft sind immer elektrische Generatoren mit einer Turbine gekoppelt, die die Bewegungsenergie auf den Generator überträgt.
      Die Energieerzeugung basiert auf dem physikalischen Prinzip der Induktion. Wenn sich ein Magnet in einem magnetischen Feld bewegt, erzeugt er in diesem Feld eine Spannung. An der Drehachse des Generators ist ein Magnet befestigt, der in den festen Spulen, die drumherum angeordnet sind, eine elektrische Spannung erzeugt.

      Wie funktioniert ein Generator?

      Im folgenden Video wird noch einmal erläutert, wie ein Generator funktioniert:

      (Beachten Sie: Mit dem Abspielen des Links werden Sie auf YouTube weitergeleitet, Sie stimmen damit den Datennutzungen dieses Unternehmens zu. Die Nutzung des Links ist freiwillig.)

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