Strom

Stromerzeugung

Stromerzeugung

Die Stromerzeugung ist der Prozess der Stromerzeugung aus Primärenergiequellen. Die Besonderheit von Elektrizität besteht darin, dass es sich nicht um Primärenergie handelt, die in der Natur in erheblichen Mengen frei vorhanden ist und erzeugt werden muss. Die Stromerzeugung erfolgt in der Regel mit Hilfe von Generatoren in Industrieunternehmen, sogenannten Kraftwerken.

In der Elektrizitätswirtschaft ist die Stromerzeugung der erste Schritt bei der Lieferung von Strom an Endverbraucher. Weitere Schritte sind die Übertragung, Verteilung, Speicherung und Wiederherstellung von Energie in Pumpspeicherkraftwerken.

Geschichte der Stromerzeugung

Das Grundprinzip der Energieerzeugung wurde in den 1820er und frühen 1830er Jahren vom britischen Wissenschaftler Michael Faraday entdeckt. Seine heute angewandte Methode ist, dass in einem geschlossenen Stromkreis, wenn sich dieser Stromkreis zwischen den Polen eines Magneten bewegt, ein elektrischer Strom entsteht.

In Kraftwerken installierte Stromerzeuger erzeugen zentral Strom in Form von Wechselstrom. Mit Hilfe von Leistungstransformatoren wird die elektrische Spannung des erzeugten Wechselstroms erhöht und so verlustarm über Kabel übertragen. Was für eine Photovoltaikanlage wäre ein Stromrichter.

Anstelle des Stromverbrauchs wird die Wechselspannung durch Reduzieren von Transformatoren reduziert und an Verbraucher übertragen. Die Elektrifizierung wurde zusammen mit der Bessemer-Methode zur Grundlage der Zweiten Industriellen Revolution. Die wichtigsten Erfindungen, die Elektrizität öffentlich und unverzichtbar machten, stammten von Thomas Alva Edison und Nikola Tesla.

Die Stromerzeugung in Kraftwerken begann im Jahr 1882, als eine Dampfmaschine am Bahnhof Pearl Street in New York einen Dynamo startete, der Gleichstrom erzeugte, um Pearl Street zu beleuchten. In vielen Städten auf der ganzen Welt wurde schnell eine neue Technologie eingeführt, mit der Lichtventilatoren schnell in elektrischen Strom umgewandelt wurden. Bald darauf fanden elektrische Lampen in öffentlichen Gebäuden, in Unternehmen und im öffentlichen Verkehr (Straßenbahnen und Züge) breite Anwendung. Seitdem hat die Produktion von elektrischer Energie in der Welt stetig zugenommen.

Möglichkeiten zur Stromerzeugung

Die Hauptmethode zur Erzeugung elektrischer Energie besteht darin, sie mithilfe eines elektrischen Generators zu erzeugen, der sich auf derselben Achse wie die Turbine befindet, und die kinetische Energie der Turbinendrehung in Elektrizität umzuwandeln. Je nach Art des Arbeitsmittels, das die Turbine antreibt, werden die Kraftwerke in hydraulische und thermische (einschließlich nukleare) Kraftwerke unterteilt.

  • Wasserkraft oder WasserkraftElektrizität durch Wasserkraft erzeugen.
  • Wärmeenergie Stromerzeugung durch Verbrennung fossiler Brennstoffe.
  • Atomenergie Stromerzeugung durch Kernspaltungsreaktionen.

Es gibt andere Arten der Stromerzeugung, die gegenüber den "traditionellen" (oben erwähnten) verschiedene Vorteile haben, aber aus verschiedenen Gründen nicht verbreitet sind. Die Hauptarten alternativer Energie sind:

  • Windkraft. Gewinnung elektrischer Energie aus der kinetischen Energie des Windes.
  • Solarenergie Stromerzeugung durch den photovoltaischen Effekt.
  • Geothermie Stromerzeugung aus Wärme im Erdinneren.
  • Wasserstoffenergie. Energiegewinnung aus der Verbrennung von Wasserstoff.

Wasserkraft

Wasserkraftwerk - StromerzeugungWasserkraft ist ein Sektor zur Erzeugung erneuerbarer Energie, der die kinetische Energie eines Wasserstroms zur Stromerzeugung nutzt. Die Energieproduktionsunternehmen in diesem Bereich sind Wasserkraftwerke, die in Flüssen gebaut werden.

Beim Bau eines Wasserkraftwerks mit Hilfe von Dämmen in den Flüssen wird ein Unterschied in den Wasseroberflächen künstlich erzeugt. Das Wasser wird unter Einwirkung der Schwerkraft durch spezielle Wasserrohre, in denen sich die Wasserturbinen befinden, deren Schaufeln nicht durch den Wasserfluss verdreht werden, vom oberen zum unteren Becken geschüttet. Die Turbine dreht den koaxialen Rotor des Generators.

Eine besondere Art von Wasserkraftwerken sind Pumpspeicherwerke. Sie können nicht als reine Erzeugungskapazitäten betrachtet werden, da sie fast so viel Strom verbrauchen, wie sie produzieren. In Spitzenzeiten bewältigen solche Stationen jedoch sehr effektiv die Entladung des Netzes.

Es sollte auch bemerkt werden, dass solche alternativen Arten von Wasserkraft: Gezeiten- und Energiewellen. In diesen Fällen wird die natürliche kinetische Energie von Gezeiten und Windwellen genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Verbreitung dieser Arten von elektrischem Strom wird dadurch behindert, dass beim Entwurf eines Kraftwerks viele Faktoren zusammenfallen müssen: Es wird eine Küste benötigt, an der die Gezeiten (bzw. die Meereswellen) stark und stabil genug sind .

Wärmeenergie

Die Unternehmen der Wärmebranche sind Wärmekraftwerke, in denen die Wärmeenergie der Verbrennung fossiler Brennstoffe in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Energieerzeugung in thermischen Anlagen gilt als nicht erneuerbare Energiequelle. Wärmekraftwerke gibt es in zwei Haupttypen:

Kondensation, IES-Technologie. Ein thermisches Kondensationskraftwerk, das ausschließlich für die Stromerzeugung ausgelegt ist. Die durch die Verbrennung des Brennstoffs gewonnene Wärme erwärmt das Wasser in den Dampferzeugern und der entstehende überhitzte Dampf wird der Dampfturbine auf derselben Achse zugeführt, mit der sich ein elektrischer Generator befindet. In einer Turbine wird die innere Energie des Dampfes durch thermodynamische Prozesse in mechanische Energie umgewandelt, die in einem elektrischen Generator einen elektrischen Strom erzeugt, der dem Stromnetz zugeführt wird. Der Abgasdampf wird in den Kondensator abgegeben. Von dort wird das Kondenswasser zum Dampferzeuger zurückgepumpt.

KWK, KWK-Technologie. Ein Blockheizkraftwerk ist ein Wärmekraftwerk, in dem ein Teil der Wärmeenergie zur Erzeugung elektrischer Energie und ein Teil zur Beheizung der umliegenden Wohngebiete zugeführt wird. Die kombinierte Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie in einem Wärmekraftwerk erhöht die Brennstoffeffizienz erheblich im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Elektrizität in Kondensationskraftwerken und Wärme zum Heizen in Haushaltskesselanlagen

Die technologischen Schemata von IES und KWK sind ähnlich, beide verwenden die gleichen thermodynamischen Prinzipien. Der grundlegende Unterschied zwischen BHKW und IES besteht darin, dass ein Teil des im Kessel erzeugten Dampfes für die Wärmeversorgung verwendet wird.

Stromerzeugung durch Kernenergie

Stromerzeugung - KernenergieIn der Kernenergie zur Erzeugung von Energie und Wärme mit KernenergieKernkraftwerke sind Kernkraftwerke. Das Prinzip der Stromerzeugung in Kernkraftwerken ist dasselbe wie in Wärmekraftwerken. Nur in diesem Fall wird beim Verbrennen fossiler Brennstoffe keine Wärmeenergie freigesetzt, sondern als Folge einer Kernreaktion in einem Kernreaktor.

Das Schema zur Stromerzeugung ähnelt dem von Wärmekraftwerken: Ein Dampferzeuger erhält Wärme aus dem Reaktor und erzeugt Dampf, geht zu einer Dampfturbine usw. Aufgrund einiger Auslegungsmerkmale von Kernkraftwerken ist es rentabel, sie nur zur Stromerzeugung zu verwenden.

Windkraft

Die Nutzung der kinetischen Windenergie zur Stromerzeugung. Interessanterweise darf der Wirkungsgrad einer Windenergieanlage nach dem Betzschen Gesetz 59,3% nicht überschreiten. Windenergie gilt als erneuerbare Energie.

Photovoltaische Solarenergie

Die Erzeugung elektrischer Energie aus der Energie der Sonnenstrahlung erfolgt durch den photoelektrischen Effekt.  Photovoltaik-Module wandeln Sonnenlicht direkt in Strom um. Obwohl das Sonnenlicht frei und reichlich vorhanden ist, ist die großflächige Erzeugung von Strom in Solarkraftwerken teurer als die Erzeugung von Strom durch elektrische Generatoren. Dies ist auf die hohen Kosten für Sonnenkollektoren zurückzuführen, die jedoch ständig sinken. Andererseits ist einer der Vorteile von Solarenergie, dass es sich um eine erneuerbare Energiequelle handelt.

Derzeit sind Solarbatterien mit einer Umwandlungseffizienz von fast 30% im Handel erhältlich. In experimentellen Systemen wurde ein Wirkungsgrad von mehr als 40% nachgewiesen. Bis vor kurzem wurden Photovoltaik-Geräte häufiger in Weltraum-Orbitalstationen, an dünn besiedelten Orten, an denen kein Zugang zu einem kommerziellen Stromnetz besteht, oder als zusätzliche Stromquelle für einzelne Haushalte und Unternehmen eingesetzt.

Die jüngsten Fortschritte bei der Photovoltaik-Produktion und -Technologieeffizienz sowie Subventionen aufgrund von Umweltproblemen haben den Einsatz von Photovoltaik-Solarenergie erheblich beschleunigt. Die Nachteile der Windenergie und die Nachteile der Sonnenenergie sind die Notwendigkeit, Speicherkapazitäten für den Nachtbetrieb (für Sonnenenergie) oder ohne Wind (für Windenergie) zu schaffen.

Geothermie zur Stromerzeugung

GeothermieGeothermie basiert auf der industriellen Erzeugung von Energie, insbesondere Strom, heißen Quellen und thermischem Grundwasser. Tatsächlich sind Erdwärmekraftwerke gewöhnliche Wärmekraftwerke, in denen unterirdische Wärmequellen aus dem Erdinneren anstelle eines Kessels oder eines Kernreaktors als Wärmequelle zur Erhitzung von Dampf nach den Gesetzen der Thermodynamik verwendet werden.

Die Nachteile der Geothermie liegen in den geografischen Grenzen ihrer Anwendung: Aus thermodynamischer und wirtschaftlicher Sicht lohnt es sich, Erdwärmestationen nur in Gebieten mit tektonischer Aktivität zu bauen, in denen diese natürlichen Wärmequellen am günstigsten sind.

Wasserstoffenergie

Die Verwendung von Wasserstoff als Energiekraftstoff hat große Perspektiven: Wasserstoff hat eine sehr hohe Verbrennungseffizienz, seine Ressource ist praktisch unbegrenzt, was ihn zu einer erneuerbaren Energiequelle machen würde. Das Verbrennen von Wasserstoff ist absolut umweltfreundlich (destilliertes Wasser ist das Produkt der Verbrennung in einer Sauerstoffatmosphäre).

Die Wasserstoffenergie kann jedoch aufgrund der hohen Kosten für die Erzeugung von reinem Wasserstoff und der technischen Probleme beim Transport in großen Mengen die Bedürfnisse der Menschheit nicht vollständig befriedigen.

Elektrochemie

Die Erzeugung elektrochemischer Energie erfolgt bei der direkten Umwandlung von Energie aus chemischen Bindungen in elektrischen Strom, beispielsweise in einer Batterie. Die Erzeugung elektrochemischer Energie ist in tragbaren und mobilen Anwendungen wichtig. Derzeit stammt der größte Teil der elektrochemischen Energie aus Batterien. Primärzellen wie herkömmliche Zink-Kohle-Batterien wirken direkt als Energiequellen, während Sekundärzellen (Batterien) dazu dienen, Strom zu speichern und nicht zu erzeugen. Offene elektrochemische Systeme, sogenannte Brennstoffzellen., Können zur Energiegewinnung aus natürlichen oder synthetischen Brennstoffen eingesetzt werden.

An Orten mit viel Salz und Süßwasser können osmotische Kraftwerke entstehen.

Die Wirtschaft der Energieerzeugung

Der Bau von Elektroenergieanlagen ist sehr aufwendig, die Erholungszeit ist lang. Die Wirtschaftlichkeit einer bestimmten Stromerzeugungsmethode hängt von vielen Parametern ab, vor allem vom Strombedarf und der Region. Die Verkaufspreise von nichtelektrischen Produkten variieren ebenfalls in Abhängigkeit von der Beziehung dieser Parameter.

Die Wahl des Kraftwerkstyps basiert ebenfalls in erster Linie auf der Berücksichtigung des lokalen Strombedarfs und der Nachfrageschwankungen. Darüber hinaus haben alle elektrischen Netze unterschiedliche Ladungen, aber Kraftwerke, die an das Netz angeschlossen sind und kontinuierlich betrieben werden, müssen die Grundlast und den minimalen täglichen Verbrauch bereitstellen. Die Grundlast können nur große Wärme- und Kernkraftwerke bereitstellen, deren Leistung in gewissen Grenzen geregelt werden kann. In Wasserkraftwerken ist die Fähigkeit zur Energiekontrolle viel geringer.

Wärmekraftwerke werden vorzugsweise in Gebieten mit einer hohen Dichte industrieller Verbraucher gebaut. Die negativen Auswirkungen der Bodenverunreinigung durch Abfälle können minimiert werden, da Kraftwerke in der Regel weit entfernt von Wohngebieten liegen. Wesentlich für ein Wärmekraftwerk ist die Art des verbrannten Brennstoffs. In der Regel ist Kohle der günstigste Brennstoff für Wärmekraftwerke. Wenn der Preis für Erdgas jedoch eine bestimmte Grenze unterschreitet, wird dessen Verwendung zur Stromerzeugung der Stromerzeugung durch Verbrennung von Kohle vorgezogen.

Der Hauptvorteil der Kernenergie ist die große Kapazität jedes Aggregats bei relativ geringer Größe und hohem Umweltschutz bei strikter Einhaltung aller Betriebsstandards. Die potenziellen Gefahren des Ausfalls eines Kernkraftwerks sind jedoch sehr hoch.

Wasserkraftwerke werden in der Regel in abgelegenen Gebieten gebaut und sind äußerst umweltfreundlich. Ihre Kapazität variiert jedoch stark je nach Jahreszeit und sie können die an das Stromnetz gelieferte Energie nicht über einen weiten Bereich regulieren.

Die Kosten für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen (ohne Wasserkraft) sind in letzter Zeit erheblich gesunken. Die Kosten für Strom aus Sonnenenergie, Windenergie und Gezeitenenergie sind in vielen Fällen bereits mit den Kosten für Strom aus thermischen Kraftwerken vergleichbar. Unter Berücksichtigung staatlicher Subventionen ist der Bau von Kraftwerken, die mit erneuerbaren Quellen betrieben werden, wirtschaftlich realisierbar. Der Hauptnachteil solcher Kraftwerke ist jedoch die Uneinheitlichkeit ihrer Arbeit und die Unfähigkeit, ihre Kapazität zu regeln.

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Referenzen

Geändert am: 12. September 2019