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Referat von Fatma Aydin

Klasse: 10 b

Die Energieversorgung in Deutschland

Titelblatt Seite: 1

Inhaltsverzeichnis Seite: 2

Unterschiede der Betriebsprinzipien von verschiedenen Kraftwerkstypen

Kohlekraftwerke Seite: 3-4

Kernkraftwerke Seite: 5-6

Wasserkraftwerke Seite: 7-8

Windkraftwerke Seite: 9-11

Gezeitenkraftwerke Seite: 12

Gaskraftwerke Seite: 13-14

Sonnenkraftwerke Seite: 15-16

Biogaskraftwerke Seite: 17-18

Effizienz der verschiedenen Kraftwerkstypen Seite: 19

tabellarisch

Regionale Unterschiede Seite: 20

Inland-Ausland

Kommentar zur Werbung der Energieversorger mit Ökostrom Seite: 21-23

Ökologische Gesamtbillanz verschiedener Kraftwerkstypen Seite: 24-26 (Abfallproblem)

Quellen Seite: 27

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Ein Kohlekraftwerk ist ein konventionelles Kraftwerk, wobei die Energie durch die Verbren-nung von Kohle erzeugt wird. So hat dieses Kraftwerk seinen Namen von der Kohle als hauptsächlichem Brennstoff. Es gibt Kraftwerke, die entweder Steinkohle oder Braunkohle verwenden. Die Kraftwerkstypen sind speziell für die jeweiligen Einsatzbrennstoffe mit ihren verschiedenen Heizwerten und Ascheanteilen konzipiert. Der weltweite Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken beträgt im Durschnitt ungefähr 31 Prozent. In Deutschland wird die Grund-last der Stromversorgung, also die Netzbelastung, die während eines Tages in einem Strom-netz nicht unterschritten wird, mit den Braunkohlekraftwerken gedeckt. Die Mittellast der Stromversorgung, also der Strom, der über die Grundlast hinaus zusätzlich verbraucht wird, wird mit den Steinkohlekraftwerken abgedeckt. In Deutschland beträgt der Anteil an der ge-samten Stromerzeugung für Steinkohle 24 Prozent und für Braunkohle 27 Prozent. Jedoch sind diese Anteile an der gesamten Energie geringer. In der Funktionsweise eines Kohlekraft-werkes liegen viele Zwischenschritte. Zuerst wird die Kohle mit Schaufelbaggern abgebaut. Über Förderbrücken gelangt die Rohkohle in das Zwischenlager. Bevor aber die Kohle ver-wendet werden kann, wird sie in einer Mühle zu feinem Kohlenstaub zermahlen und getrock-net. Anschließend wird der Kohlestaub über mehrere Brenner in den Kessel geblasen, wo er bei Temperaturen von bis zu 1500°C verbrennt. Dadurch bringen die heißen Rauchgase das Wasser, das durch die Rohrleitungen fließt, zum Sieden. Der entstehende Dampf wird bei großem Druck (z.B. 270 bar) auf ca. 500°C erhitzt und strömt mit großer Geschwindigkeit auf die Turbinenschaufeln. Diese drehen sich sehr schnell und treiben einen Generator an, wel-che nun Strom erzeugt. Der Wasserdampf, welcher in der Turbine schon sehr stark abgekühlt wurde, fließt durch einen Kondensator, der sich unterhalb der Turbine befindet. Der Dampf bewegt sich im Kondensator durch Rohrleitungen, welche von einem zweiten Wasserkreis-lauf umgeben sind. Das kalte Wasser aus den Kühltürmen oder von einem Fluss/See, um-spült die Rohre indem sich der heiße Wasserdampf befindet. Der heiße Wasserdampf gibt seine Wärme an das kalte Wasser aus den Kühltürmen oder aus dem Fluss bzw. See ab. So erwärmt sich das kalte Wasser auch selbst. Bei diesem Vorgang kühlt der Dampf in dem ge-schlossenen Kreislauf ab und kondensiert wieder zu Wasser. Das Wasser gelangt nun wie-der in den Dampferzeuger. Das erhitzte (vorher kalte Wasser aus den Kühltürmen oder aus dem Fluss bzw. See) fließt nun zurück in die Kühltürme. Ein Teil davon verdampft und tritt oben aus den Kühltürmen aus. Der andere Teil kühlt ab, gelangt wieder in den Kondensator und umspült die Rohre mit dem Wasserdampf aus der Turbine. Die bei der Verbrennung ent-standenen Abgase werden entstaubt, entstickt und entschwefelt, bevor sie das Kraftwerk über den Schornstein verlassen. Während der Reinigung der Abgase durch chemische und physikalische Vorgänge, entstehen die Nebenprodukte Staub und Gips. Die Asche der Kohle wird ebenfalls verwendet, hauptsächlich als Baustoff. Der entstandene Strom wird auf 380 KV hochtransformiert, um die Verluste bei der Übertragung über Überlandleitungen möglichst gering zu halten. Vor der Stadt (Verbraucher) wird der Strom dann auf 230 V heruntertrans-formiert.

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Die Schemazeichnung eines Kohlekraftwerkes:

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Die Kernkraftwerke werden auch Atomkraftwerke genannt und sind wie die fossil befeuerten Kraftwerke (also mit Kohle, Öl oder Gas) Wärmekraftwerke, die zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden. Die Kernkraftwerke nutzen für die Dampferzeugung benötigte Wär-me durch die Kernreaktor ablaufenden Kernspaltungen der radioaktiven Elemente Uran oder Plutonium. Während die fossil befeuerten Kraftwerke die Verbrennung von kohlenstoffhaltiger Energieträger Kohle, Öl oder Gas als Wärmequelle benutzen. Das Grundprinzip der Kern-kraftwerke basiert darauf, dass die bei Kernspaltungen freiwerdende Energie größtenteils als Wärme abgegeben wird, welche über die Dampferzeugung in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Nach einer Kernspaltung geht die Wärme, welche im Reaktorzentrum ent-stand, an ein Kühlmittel über. Dabei steht das Kühlmittel unter Druck und durchströmt in ei-nem geschlossenen Rohrsystem den Reaktor. Im Primärkreislauf können diese Kühlmittel beispielsweise Wasser, schweres Wasser, flüssiges Natrium, ein Natrium- Kalium- Gemisch oder Gase wie Kohlenstoffdioxid und Helium sein. Mit Hilfe eines Wärmeaustauschers wird die Wärme des Primärkreislaufs über ein strömendes Kühlmittel, wie z.B. Wasser an einen Sekundärkreis weitergeleitet. Durch diesen Prozess werden die Turbogeneratoren angetrie-ben, da das Wasser durch den Wärmetauscher verdampft. Die Turbogeneratoren dienen da-bei zur Erzeugung des elektrischen Stroms. Nach diesen Arbeitsschritten strömt das Konden-sat des Sekundärkreislaufes wieder zurück zum Wärmeaustauscher. Dabei ist die Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf sehr wichtig, da das Kühlmittel von ersterem stark radioaktiv wird und ohne Übertragung in einen zweiten Zyklus viele Sachverhalte des Kern-kraftwerks verseuchen würde. Um das Bedienungspersonal nicht zu gefährden, werden die Rohrleitungen, welche den Primärkreislauf bilden und der Reaktorkern mit einem dicken Mantel aus Beton, Blei und Stahl nach außen abgeschirmt, um die schädliche radioaktive Strahlung vorzubeugen. Außerdem können die Kernkraftwerke mit unterschiedlichen Wasser-reaktoren ausgerüstet werden. So sind die meisten Kernkraftwerke Leichtwasser-, Druckwas-ser- oder Siedewasserreaktoren. Im Allgemeinen wird beim Betrieb moderner Kernkraftwerke von einer Nutzungsdauer von mindestens 40 Jahren ausgegangen. Dabei beträgt der Wir-kungsgrad z. B. bei Druckwasserreaktoren rund 34 Prozent.

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Die Dampferzeugung anhand eines Druckwasserreaktors bei Kernkraftwerken:

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Die Wasserkraftwerke werden auch als Wasserkraftanlagen bezeichnet und sind Elektrizi-tätswerke, welche die mechanische Energie des Wassers in elektrischen Strom umwandeln. Dadurch wird die Wasserkraft für die Menschen nutzbar gemacht. Um diese Energie zu nut-zen, wird in einer Stauanlage, z.B. in einem Staudamm, das Wasser in möglichst großer Höhe aufgestaut. So besteht ein Wasserkraftwerk aus einem höher gelegenen Wasserspei-cher, Turbinen und Generatoren. Das Wasser fließt mit hohem Druck durch Rohre und trifft im Tal auf die Turbinen, die durch das Wasser in Bewegung gesetzt werden. So treibt also die Energie dieser Bewegung eine Wasserturbine oder ein Wasserrad an. Die Generatoren sind mit den Turbinen durch Wellen verbunden und liegen direkt über den Turbinen. Wenn sich die Turbine dreht, dann dreht sich folglich auch die Welle. Diese Welle treibt wiederum den Generator an, der dann den Strom erzeugt. So wandelt also der Generator die mechani-sche Energie in Elektrizität um, indem die Drehbewegungen der Turbine an die Welle des Generators weitergeleitet werden. Die Leistung der Wasserkraftwerke ist von vielen Faktoren abhängig. Neben den technischen Bedingungen der Turbine, des Generators und des Trans-formators bestimmen vor allem die Fallhöhe und das Maß des Wasserdurchflusses die ent-stehende Leistung. So werden verschiedene Turbinen für die unterschiedliche Fallhöhe des Wassers in einem Wasserkraftwerk eingesetzt. Für sehr große Fallhöhen werden Pelton-Tur-binen, für mittlere Fallhöhen Francis-Turbinen und für kleine Fallhöhen Propeller-bzw. Kaplan-Turbinen eingesetzt. Außerdem haben Wasserkraftwerke einen sehr hohen Wir-kungsgrad, da bis zu 90 Prozent der nutzbaren Wasserkraft in Strom umgewandelt werden kann. Die Wasserkraftwerke sind auch von geografischen Bedingungen abhängig. So wer-den sie vor allem in Mittel- und Hochgebirgen, aber auch an großen Flüssen errichtet. Da-durch haben einige Länder einen Standortvorteil. Die verschiedenen Typen von Wasserkraft-werken werden nach Nutzgefälle, Auslastung und nach der Bauart eingeteilt. Bei einer Fall-höhe von unter 15 Metern werden Niederdruckkraftwerke verwendet, welche gleichzeitig auch als Grundlastkraftwerke bezeichnet werden, da sie für die Grundlast des Stromver-brauchs verwendet werden. So ist die Auslastung der Grundlastkraftwerke über 50 Prozent. Diese Niederdruck-/Grundlastkraftwerke sind z.B. Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wel-lenkraftwerke und Strom-Bojen. Solche Wasserkraftwerkstypen werden mit einer Kaplan-Tur-bine oder mit einer Durchströmturbine betrieben. Bei einer Fallhöhe von 15 bis zu 50 Metern werden Mitteldruckkraftwerke verwendet, welche gleichzeitig auch als Mittellastkraftwerke bezeichnet werden, da sie für die Grundlast und Mittellast des Stromverbrauchs verwendet werden. So ist die Auslastung der Mittellastkraftwerke 30 bis 50 Prozent. Diese Mitteldruck/Mittelastkraftwerke sind z.B. Flusskraftwerke mit Schwellbetrieb oder Speicher-kraftwerke. Solche Wasserkraftwerkstypen werden mit einer Francis-Turbine, Kaplan-Turbine oder mit einer Durchströmturbine betrieben. Bei einer Fallhöhe von 50 bis zu 2.000 Metern werden Hochdruckkraftwerke verwendet, welche gleichzeitig auch als Spitzenlastkraftwerke bezeichnet werden, da sie für die Spitzenlast des Stromverbrauchs verwendet werden. So ist die Auslastung der Spitzenlastkraftwerke unter 30 Prozent. Diese Hochdruck-/Spitzenlast-kraftwerke sind z.B. Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke und Kavernenkraftwerke. Solche Wasserkraftwerkstypen werden mit einer Francis-Turbine oder mit einer Pelton-Turbi-ne betrieben. Man kann die Wasserkraftwerke auch wie schon genannt nach den Bauarten einteilen. So gibt es Laufwasserkraftwerke, bei dem ein Fluss gestaut wird und mit dem ab-fließenden Wasser elektrischer Strom produziert wird. Neben den Laufwasserkraftwerke gibt 7 | S e i t e

es auch Speicherkraftwerke, bei dem das Wasser über einen Zeitraum vom mehreren Stun-den bis Monaten gespeichert wird, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen. So gibt es auch Pumpspeicherkraftwerke, bei dem mit überschüssigem Strom Wasser aus einer niedrigeren Lage in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird, um später Spitzenstrom zu erzeugen. Es gibt auch Kavernenkraftwerke, die künstlich geschaffene Hohlräume (Kaver-nen) als Energiespeicher oder als Standort für Kraftwerkskomponenten verwenden. Die Ge-zeitenkraftwerke dagegen nutzen die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und Flut. In Wellenkraftwerken wird die Energie der kontinuierlichen Meereswellen selbst ausge-nutzt und nicht im Unterschied zu einem Gezeitenkraftwerk der Tidenhub. Die Meeresströ-mungskraftwerke nutzen die kinetische Energie von Meeresströmungen. Die Strom-Bojen sind neuartige Typen und wandeln die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie um. Außerdem kann man die Turbinen der Wasserkraftwerke in zwei große Hauptgruppen unterteilen: In Überdruckturbinen wie z.B. die Kaplan- und Francis-Turbine oder in Gleich-druckturbinen wie beispielsweise die Pelton-Turbine.

Die Kaplanturbine: Die Überdruckturbine:

Die Pelton-Turbine: Die Francis-Turbine: Die Kaplan-Turbine:

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1.Das Wasser wird von oben auf den Propeller geleitet. 2.Das Wasser von oben drückt nach. 3.So muss das Wasser durch den Propeller. 4. Der Propeller dreht sich und treibt damit den Generator an.

1.Das Wasser wird mit hohen Druck durch bis zu sechs Düsen auf ein Laufrad gespritzt. 2.Das Laufrad fängt dadurch an sich zu drehen. 3.Der Generator wird dabei angetrieben.

Die Windkraftwerke werden auch Windkraftanlagen genannt und wandeln die kinetische Energie des Windes, also die Bewegungsenergie von Luftströmen in elektrische Energie um und speisen die gewonnene Energie in das Stromnetz ein. Bei dieser Energieerzeugung aus Windkraft handelt sich um eine kostenfreie Energie, da bei ihrer Nutzung kein Bedarf an Energieträgern, wie zum Beispiel Kohle, Öl oder Gas gibt. Ein Windkraftwerk besteht in der Regel aus einem 10 bis 100 Meter hohen Mast aus Stahl und Beton, an dem eine Gondel an-gebracht ist. Die Gondel bildet den Grundrahmen, Träger sowie eine Verkleidung zur Aufnah-me und Befestigung von Getriebe und Generator. Neben den Rotorblättern und der Rotorwel-le sind auch Steuerfahnen zur Einstellung der Winkel für die jeweilige Windrichtung montiert. Die Funktionsweise der Windkraftwerke beruht darauf, dass die kinetische Energie der Wind-strömung auf die Rohrblätter wirkt und zu einer Drehbewegung des Rotors herbeiführt. Der Rotor gibt diese Rotationsenergie an den Generator weiter, welcher die mechanische Ener-gie in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Es gibt zwei verschiedene Arten von Wind-kraftwerken, das Aufwindkraftwerk und das Fallwindkraftwerk. Bei den Aufwindkraftwerken, die auch Thermikkraftwerke genannt werden, handelt es sich um Kraftwerke, die aus einer Kombination von Treibhaus, Kamin und Windrad elektrische Energie erzeugen. Die Aufwind-kraftwerke nutzen die Eigenschaft, dass warme Luft nach oben steigt. Durch ein lichtdurch-lässiges Dach (z.B. ein Glasdach) wird das auf den Boden auftreffendes kurzwelliges Licht (Sonneneinstrahlung) in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt, welche die umgebene Luft und den Boden wie in einem Treibhaus aufheizt. Die erwärmte Luft strömt daraufhin mit hoher Geschwindigkeit unter dem Glasdach zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. So ent-steht ein Aufwind, der auch Thermik genannt wird. Der Aufwind wird mit Hilfe von Turbinen in elektrischen Strom umgewandelt. Das entgegengesetzte Prinzip ist das Fallwindkraftwerk, der auch Abwindkraftwerk genannt wird. Bei diesen Kraftwerkstypen wird die sonnenerwärm-te Luft durch Besprühen mit Wasser abgekühlt und fällt in einem Kamin nach unten. Dabei wird im oberen Teil des hohen Kamins Wasser eingesprüht. Das verdunstete Wasser entzieht der Luft Wärme, welche sich um 12°C gegenüber der Außenluft abkühlt und im Kamin mit ei-ner Geschwindigkeit bis zu 20 Metern pro Sekunde nach unten fällt. Am Fuß des Kamins werden wie beim Aufwindkraftwerk Windräder angeordnet, die dann aus dieser künstlichen Luftströmung Strom erzeugen. Außerdem benötigen Fallwindkraftwerke keinen Kollektor zur Umwandlung der Sonnenenergie, da ein hoher Kamin verwendet wird. Zur Stromerzeugung haben die Windkraftwerke auch verschiedene Bauformen der Rotationsachsen. So gibt es horizontale und vertikale Rotationsachsen, wobei sich die horizontale Rotationsachse durch-gesetzt hat. Bei der horizontalen Rotationsachse sind Generator, Getriebe und Nabe in einer Gondel untergebracht, die drehbar auf dem Turm sitzt, sodass die Rotorblätter optimal in den Wind gestellt werden können. Die Rotorblätter sind über die Rotornarbe mit Rotorwelle ver-bunden. Dabei unterscheidet man Lee-und Luvläufer. Bei Leeläufern befinden sich die Rotor-blätter auf die windabgewandten Seiten des Turmes. Diese Anlagen brauchen keine Vorrich-tungen zur aktiven Windrichtungsnachführung. Bei den häufig verwendeten Luvläufern befin-den sich die Rohrblätter auf der windzugewandten Seite des Turmes. Dadurch werden Belas-tungen der Blätter und Leistungsschwankungen, die beim Durchlauf des Turmschattens ent-stehen vermieden. Bei dem anderen Prinzip folgen die Rotoren mit senkrechter Drehachse, wie der Darrieus- und der Savonius-Rotor. So bestehen die Darrieus-Rotoren aus zwei oder drei gekrümmten Rotorblättern, die oben und unten an der Drehachse befestigt sind. Da sie von der Windrichtung unabhängig sind, entfällt die Nachführung, wie es bei den Horizontalen Rotationsachsen der Fall ist. Nachteilig ist, dass sie erst bei Windgeschwindigkeiten von an-nähernd 6 m/s (Windstärke 4) selbsttätig anlaufen können. Deshalb werden sie meist mit leicht anlaufenden Savonius-Rotoren kombiniert. Die verschiedenen Bauformen der Rotati-onsachsen haben je nach den vorherrschenden Standortbedingungen eine bessere oder schlechtere Leistung.

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Vertikale Rotationsachsen: Horizontale Rotationsachse:

Beispiele für eine Anlage mit Getriebe und ohne Getriebe:

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Die Skizze eines Aufwindkraftwerks:

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Die Gezeitenkraftwerke sind Wasserkraftwerke, welche die Energie des sich ändernden Wasserspiegels bei Ebbe und Flut nutzten und so durch deren Strömung über die Turbinen Strom erzeugen. So ist ein Gezeitenkraftwerk ein konventionelles Kraftwerk, da Wasser zu den erneuerbaren Energieformen zählt, weil es einem ständigen Kreislauf, dem Wechselspiel von Ebbe und Flut unterliegt. Gezeitenkraftwerke funktionieren durch das Einfließen und das Ausströmen von Meerwasser, je nachdem ob gerade Ebbe oder Flut herrscht. Die Meeresbucht wird vom Meer getrennt, sodass der Wasserspiegel auf der einen Seite niedriger ist, als auf der anderen Seite, wodurch ein Staudamm-Prinzip herrscht. Die Gezeitenkraftwerke werden oft an Staudämmen, Meeresbuchten und an Flussmündungen aufgebaut, die einen besonders hohen Tidenhub (Differenz zwischen Hoch- und Niedrigwasserstand) aufweisen. So fließt das Wasser von dem höheren Wasserstand in den niedrigeren Bereich. Dabei entsteht eine Strömung, wodurch die Wasserturbinen angetrieben werden. Da die Turbinen immer in die Richtung, des Wasserflusses angepasst werden, können diese Wasserturbinen somit bei Ebbe und bei Flut Strom produzieren. Dies erreicht man, indem man die Rotorenblätter umstellt. Wegen der Tatsache, dass schon ein geringes Wassergefälle zur Erzeugung des Stroms genutzt werden muss, werden meist Kaplan-Turbinen eingesetzt. Die Gezeitenkraftwerke können auch überschüssigen Strom anderer Kraftwerke nutzen, um Meereswasser in den Stauraum zu pumpen, womit zusätzlicher Strom erzeugt werden kann. So können Gezeitenkraftwerke gleichzeitig auch als Pumpspeicherkraftwerke genutzt werden.

Die Funktionsweise eines Gezeitenkraftwerkes bei Flut und bei Ebbe:

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Die Gaskraftwerke werden auch Gasturbinenkraftwerke genannt und sind Kraftwerke, die zur Stromerzeugung dienen. So werden diese Kraftwerke mit Hilfe von Erdölprodukten oder mit brennbaren Gasen wie beispielsweise Erdgas betrieben. So wird die Gasturbine mit Hilfe dieser Brennstoffe angetrieben, welche selber den angekuppelten Generator antreibt. Die Gaskraftwerke haben zwar relativ niedrige Investitionen, aber sie haben durch ihren geringen Wirkungsgrad hohe Betriebskosten. Die modernen Gaskraftwerke wandeln das Gas in einem zweistufigen Prozess in Strom um. Aus diesem Grund werden diese Gaskraftwerke auch Gas-Kombikraftwerke genannt. Als erstens wird das Gas entzündet, wobei die Außenluft bei der Gasverbrennung komprimiert und unter hohem Druck der Brennkammer zugeführt wird. Nach der Verbrennung treibt das energiereiche Rauchgas die Gasturbine an, die an einen Generator gekoppelt ist. So hält die Gasturbine den Generator in Schwung, der wie ein Dynamo den gewünschten Strom produziert. In dieser ersten Phase werden rund 40 Prozent der Energie von Gas in Strom umgewandelt. Für die zweite Phase werden die sehr heißen Abgase, welche circa 550°C sind, aus dem ersten Verbrennungsprozess für die weitere Stromerzeugung genutzt. So werden die heißen Abgase im Dampferzeuger zu Dampf generiert, der dann die Dampfturbinen antreibt, welche nach dem Prinzip des Dampfkochtopfs funktioniert. Durch die Turbine wird nämlich die heiße Luft kontrolliert abgelassen, wodurch die Turbinen angetrieben werden. So sind in der Regel mehrere Dampferzeuger in Funktion, welche auf unterschiedliche Temperaturbereichen eingestellt sind. In der zweiten Phase treiben die Dampfturbinen meistens einen anderen Generator an als eine Gasturbine. Am Ende hat sich der Dampf auf 50 bis 100°C abgekühlt. Die Energienutzung kann aber auch nach der zweiten Phase erweitert werden, indem mit der Abwärme aus dem Gaskraftwerk der Wärmebedarf gedeckt wird. So kann man schließlich aus diesen drei Stufen 80 Prozent der Primärenergie nutzen. Für die Gaskraftwerke existieren zwei Bauarten der verwendeten Gasturbinen, die schwere und die leichte Bauart. Die schwere Bauart wird auch Heavy Duty genannt und ist für eine größere Stromproduktion(50 MW bis über 340 MW) und für eine lange Lebensdauer unter Dauerbetrieb ausgelegt. Die leichte Bauart, die auch Aeroderivate genannt wird produziert weniger Strom, aber sie besitzt eine Schnellstartfähigkeit. Sie werden deshalb beispielsweise zur kurzfristigen Spitzenlastabdeckung eingesetzt. Die Gasturbinen von der leichteren Bauart haben eine Leistung von 100kW bis 40MK und besitzen typische Konstruktionsmerkmale von Flugzeugturbinen. So werden sie bevorzugt in Industriekraftwerken eingesetzt.

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Die Skizze eines Gas- und Dampfkraftwerkes:

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Die Sonnenkraftwerke werden auch Sonnenwärme-/Solarwärmekraftwerke genannt und sind Kraftwerke, die durch die Energie der Sonne Strom oder Wärme erzeugen. Je nach Funktion werden die Solarkraftwerke in drei Kategorien eingeteilt: In thermische Solaranlagen, Photo-voltaikanlagen und thermische Solarkraftwerke. So dienen die thermischen Solaranlagen nicht für die Stromerzeugung, sondern für die Erzeugung von Wärme beispielsweise für Hei-zungen oder Trinkwasser. Diese thermische Solaranlage funktioniert, indem auf die speziell beschichteten Kollektoren die Sonne scheint und sie erwärmt. In den Kollektoren befinden sich Rohre mit einer Flüssigkeit oder einem Gas, welches durch die Sonneneinstrahlung er-hitzt wird. Dieses Wärmemedium wird über Pumpen oder Ventilatoren zu einem Speicher ge-leitet. Danach wird die Wärme verwertet und das abgekühlte Medium wird wider in die Kol-lektoren geführt. In der zweiten Kategorie der Solarkraftwerke kommen die Photovoltaikanla-gen dran, welche direkt aus der elektromagnetischen Energie der Sonne Strom erzeugen. Diese Stromerzeugung geschieht in hauchdünnen Schichten, welche halbleitend sind. Die Umwandlung erfolgt auf photoelektrischem Wege durch Freisetzen von Elektronen im Innern eines Stoffes, wie Silizium, Galliumarsenid oder Kadmiumtellurid. So werden innerhalb der hauchdünnen Schichten die negativen und positiven Ladungen getrennt. Dadurch fließt elek-trischer Strom, welcher entweder gespeichert oder direkt in den Stromnetz eingespeist wird. An der dritten Kategorie der Solarkraftwerke stehen die thermischen Solarkraftwerke, welche mit Hilfe der Sonne indirekt Strom erzeugen. Die Sonne scheint bei dieser Kategorie auf große Spiegel und erwärmt dabei eine Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit treibt danach eine Turbi-ne an oder erzeugt über einen angeschlossenen Generator in der Mitte Strom. Da die Son-nenstrahlen eingefangen und gebündelt in einen Empfänger weitergegeben werden, gibt es, wie schon bereits beschrieben, verschiedene Möglichkeiten die Sonnenstrahlen einzufangen und zu konzentrieren. So wird entweder eine Parabolschüssel, lange spiegelnde Rillen oder ein Spiegel verwendet. Die Spiegel werden dabei immer der Sonne zugewandt, so dass sie möglichst lange bestrahlt werden. Die Wärmeenergie kann dann zum Beispiel Dampf erzeu-gen, welcher dann die Turbinen und Generatoren zur Stromgewinnung antreibt. Aufgrund der niedrigen Wirkungsgrade bei Photovoltaikanlagen und deren geringen Strahlungsenergie von durchschnittlich 114 W/m² würde für ein 1.000 MW Kraftwerk eine Kollektorenfläche von ca. 29 km² erforderlich. Jedoch liegt der Gesamtwirkungsgrad der thermischen Solarkraftwerke zurzeit bei etwa 30 Prozent.

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Skizze einer solaren Warmwassergewinnung: Der Parabolrinnenkollektor:

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Die Biogaskraftwerke werden auch Biogasanlagen genannt und werden mithilfe von Biogas betrieben, das aus der Gärung von verschiedenen Stoffen entsteht. So werden verschiedene Rohrstoffe wie beispielsweise Gülle, Klärschlamm, Fette, Pflanzenteile oder nachwachsbare Energiepflanzen wie beispielsweise Mais in einen luftdicht verschlossenen Fermenter (Gär-tank) eingebracht. In diesem Gärtank entsteht durch Gär- oder Fäulnisprozesse das Biogas, welches je nach Ausgangsstoff aus 40-75 % Methan, 25-55 % Kohlendioxid, bis zu 10 % Wasserdampf sowie darüber hinaus aus geringen Anteilen Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff besteht. Bei der Erzeugung von Biogas aus Biomasse wird als Nebenprodukt Dünger (Substrat) produziert. Die Funktionsweise der Stromerzeu-gung beruht darauf, dass zuerst das Biogas aus Biomasse in speziellen Anlagen erzeugt wird. Nach der Produktion des Biogases wird dessen Wasseranteil verringert und zur Ent-schwefelung wird eine kleine Menge Frischluft eingeblasen. Danach gelangt das Gas in einen Verbrennungsmotor, der an einen Generator angeschlossen ist und diesen durch die Verbrennung des Gases antreibt. Der so produzierte Strom wird dann in das Stromnetz ein-gespeist. Die im Abgas und im Motorkühlwasser enthaltene Wärme wird in Wärmeaustau-schern zurückgewonnen. Ein Teil der Wärme wird für die Beheizung des Fernmeters ge-braucht. Der Fernmeter braucht diese Wärme, da die Bakterienstämme, welche die Biomas-se abbauen, am besten bei Temperaturen von entweder 37°C oder bei 55°C arbeiten. Die restliche Wärme des Motors kann zur Beheizung von Gebäuden, zum Trocknen der Ernte (Getreide) verwendet werden. In mehreren Kraftwerken wird das Biogas aufbereitet und ins Erdgasnetz eingespeist. Damit werden Biogasanlagen auch an Standorten ohne Wärmeab-nehmer möglich. Aufbereitetes Biogas kann auch als Treibstoff für gasbetriebene Fahrzeuge dienen. Die Biogaskraftanlagen sind auch sehr gut für die landwirtschaftlichen Betriebe ge-eignet, da dort sehr viele Primärenergien vorhanden sind. Außerdem wird durch die Vergä-rung der Gülle die Düngerqualität im Gegensatz zu Rohgülle verbessert und stinkt nicht mehr. Außerdem existieren zwei grundsätzliche Verfahren zum Betrieb von Biogaskraftanla-gen, nämlich die Nassvergärung und die Trockengärung. Beide Gärungsprozesse haben je nach Stoffe überlegene oder ungünstige Eigenschaften. In Deutschland ist aber die Nassver-gärung am meisten verbreitet, da die meisten Anlagen mit Viehzucht errichtet werden, die zu-sätzlich Energiepflanzen beifügen. So kommt beispielsweise nur die Nassvergärung für die Gülle in Frage und gehäckselter Mais kann in beiden Verfahren verarbeitet werden. Die Tro-ckenfermentation dagegen ist nur für den Grünschnitt gedacht, wie er im Garten- und Land-schaftsbau anfällt. Die Trockenfermationen können auch die Kompostwerke als Verarbeiter des Biomülls ablösen, da beide Verfahren mit dem Kompost enden.

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Die schematische Biogasanlage:

Die Skizze des Fernmenters (Gärtank):

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da

Eine selbst erstellte Tabelle zur Effizienz der verschiedenen Kraftwerkstypen:

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Kraftwerkstyp: Effizienz:

CO2-Emission in gCO2/kWhel:

Zeitliche Verfügbarkeit:

typische Leistung in MWel:

erzeugte elektr. Energie in 30a pro kW install. Leistung:

Investitionskosten in €/kW:

Stromkosten in€/kWh:

Kohlekraftwerk 40% 830 80% 1000 210 000 1000 0,03Kernkraftwerk 33% 6 80% 1300 210 000 2000 0,05Wasserkraftwerk (groß) 97% 16 50% 1000 130 000 3000 0,10Windkraftwerk 45% 11 25% 1 65 000 1000 0,07Aufwind 3% 7 80% 200 210 000 4000 0,10Gezeitenkraftwerke 80-90% k.A. k.A. k.A. k.A. k.A. k.A.Gaskraftwerk (GUD) 54% 480 80% 200 210 000 800 0,03Photovoltaikanlage 13% 90 15% 0,001 40 000 4000 0,20Parabolrinnenkraftwerke

20% 17 40% 200 105 000 3000 0,10

Solarturm 35% 8 80% 200 210 000 3000 0,10Biogaskraftwerke 35% 3 80% 50 210 000 1500 0,05

Die Stromversorgung innerhalb der Bundesländer und Europa unterscheiden sich sehr, da nach den Standortbedingungen die Kraftwerke gebaut werden, welche dann für die jeweils einzelnen Gebiete Strom liefern. So ist beispielsweise Norwegen mit einer Stromerzeugung von 119TWh der sechstgrößter Wasserkrafterzeuger der Welt. So gewinnt das regenreiche Norwegen 99% seiner elektrischen Energie aus der Wasserkraft, Österreich 72% und die Schweiz 58%. Deutschland gewinnt seine elektrische Energie aus vielen verschiedenen Kraftwerkstypen und nicht wie Norwegen durch ein hauptsächliches Kraftwerk. So gewinnt Deutschland 36,4% seiner Energie aus Mineralöle, 22,4% aus Naturgase, 13,4% aus Stein-kohle,

12,6% aus Kernenergie, 11,4% aus Braunkohle, 3,6% aus erneuerbaren Energien und 0,1% Sonstiges. Hiermit wird deutlich, dass Norwegen seine Energie durch Ökostrom gewinnt, da es eine regenreiche Halbinsel ist und dadurch viele Wassermengen zur Verfügung hat. Da Deutschland aber nicht in so einer vorteilhaften geographischen Lage liegt, ist die Bevölke-rung auf andere Kraftwerke angewiesen, welche teilweise nicht so vorteilhaft für die Umwelt sind, wie es in Norwegen der Fall ist.

Die Geographische Lage von Norwegen im Gegensatz zu Deutschland:

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Es ist für die Umwelt wichtig, auf erneuerbare Energien also auf Ökostrom umzusteigen, da es einerseits gut für das Klima ist und andererseits eine Versorgungssicherheit anbietet. Je-doch ist es auch wichtig die Vor-und Nachteile der erneuerbaren Energiequellen vor Augen zu führen. Das zurzeit größte Umweltproblem ist die drohende Klimakatastrophe, da jeden Tag weltweit rund 65 Millionen Tonnen Kohlendioxid durch den Menschen in die Atmosphäre geblasen wird. Da diese Anreicherung von Kohlendioxid in der Atmosphäre für eine Erder-wärmung sorgt, muss der Kohlendioxidanteil durch die Umstellung auf Ökostrom verringert werden. Das wichtigste Treibhausgas ist nämlich das Kohlendioxid, was bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas und Erdöl etc. entsteht. Auch die Versorgungssi-cherheit kann durch eine stärkere Nutzung von erneubaren Energiequellen versichert wer-den, da die fossilen Brennstoffe bald zu Ende gehen. Der Fakt, dass wenn man den heutigen weltweiten Verbrauch und die heute bekannten wirtschaftlich nutzbaren Lagerstätten zugrun-de legt und dabei die mutmaßlichen neue Funde nicht berücksichtigt, so reichen nach Schät-zung die Weltvorräte von Erdöl 43 Jahre, von Erdgas 66 Jahre und die Braun-und Kohlevor-räte noch zirka 170 Jahre aus. Aufgrund dieser Tatsachen muss der Anteil an Ökostrom er-höht werden. Zur künftigen CO2-Vermeidung und zur Sicherung der Energieversorgung bie-ten sich grundsächlich zwei Wege an. Der erste Weg ist das Energiesparen und der zweite Weg ist der Umstieg auf CO2-freie bzw. CO2- neutrale Energiequellen wie die erneuerbare Energieressourcen Sonnen-, Wind-, Wasserkraft, Erdwärme und Biomasse und die konven-tionelle Energiequelle Atomenergie. Jedoch ist der Grund für die geringe Nutzung erneuerba-ren Energiequellen nicht nur in den historischen Gegebenheiten zu suchen, sondern es ba-siert auch auf die prinzipiellen physikalischen Nachteilen, wie beispielsweise die geringe Effi-zienz. So müssen beispielsweise sehr große Solarkollektorflächen aufgestellt werden oder sehr viele Windräder installiert werden, damit nennenswerte Energiemengen produziert wer-den können. Die Folge ist ein hoher Materialeinsatz, der hohe Kosten und nicht vernachläs-sigbare Umweltbeeinflussungen nach sich zieht. So wird daraus deutlich, dass eine Energie-versorgung ausschließlich auf der Basis der erneuerbaren Energiequellen nicht möglich sein wird, da beispielsweise die Sonne nicht unbedingt dann scheint, wenn Strom benötigt wird. Erneuerbare Energiequellen können also aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nur einen zusätzlichen Beitrag zum Energieverbrauch leisten. Jedoch sollte man versuchen so-viel wie möglich Ökostrom zu verwenden, wie zum Beispiel durch einen Sonnenkollektor auf dem eigenen Haus, um seinen eigenen Beitrag für die Verringerung des CO2-Ausstoßes zu geben.

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Diagramme zu erneuerbaren Energien:

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Um die ökologische Gesamtbillanz der verschiedenen Kraftwerkstypen zu bestimmen, werde ich zunächst die Vor-und Nachteile der einzelnen Kraftwerkstypen beschreiben. Der Vorteil von Kohlekraftwerken liegt im verwendeten Brennstoff, da die Vorräte für Steinkohle noch etwa für 200 Jahre ausreichen. Dies ist wesentlich länger als beispielsweise beim Erdöl. So ist auch die Kohle für Deutschland günstiger, da sie nicht importiert werden muss. Außerdem besitzt ein Kohlekraftwerk hochentwickelte Technologie und große Einheitsleistungen von 600 bis 1200 MW. Zudem hat Kohle stabile Brennstoffkosten. Jedoch haben die Kohlekraft-werke auch viele ökologische Nachteile, da diese Kraftwerde als Primärenergie erschöpfbare fossile Brennstoffe benutzten. So entsteht bei der Verbrennung eine sehr hohe Schadstoff-stoffausstoß (CO2-Emissionen), dieses Abfallprodukt beeinträchtigt sehr die Umwelt.

Der größte Vorteil für die Kernkraftwerke sind die konkurrenzlosen niedrigen Spaltstoffver-brauche, da eine Tonne Spaltstoff die gleiche Energie liefert, wie zwei bis drei Tonnen Kohle. Ein weiterer Vorteil ist die ausreichend vorhandenen Menge an Kernbrennstoffen. Da es für die Kernkraftwerke nicht notwendig ist, die Rohstoffe vor Ort zu haben, können diese Kraft-werke standortunabhängig errichtet werden. Dies ist ein Vorteil, wenn man an die hohen Transportkosten für Öl oder Kohle zu Raffinerien und Kraftwerken bedenkt. So herrscht eine hohe Umweltverträglichkeit, da bei der Produktion kein Kohlendioxid (CO2) als Abfallprodukt entsteht. Jedoch gibt es auch bei diesem Kraftwerk große Nachteile, die der Umwelt schaden können. Das entscheidende Problem bei der Nutzung von Atomenergie in Kernkraftwerken ist die hohe radioaktive Verschmutzung der Brennelemente nach dem Einsatz im Reaktor, welches eine kostenintensive und durchdachte Endlagerung verlangt. Außerdem hinterlassen die Kernkraftwerke radioaktive Abfälle für Jahrzehntausende, welches ebenfalls die Umwelt schadet. So kann es auch in einem Kernkraftwerk zu atomaren Unfälle kommen, welche zu unvorhersehbaren Langzeitschäden der gesamten Flora, Fauna sowie der Atemluft und Bo-dengesundheit führen. Als letzter negativer Aspekt ist die nicht erneuerbare Energieform, welche die Kernkraftwerke für die Stromerzeugung benutzen.

Der größte Vorteil für die Wasserkraftwerke ist, dass bei der Stromproduktion keinerlei Abfäl-le gibt, wodurch keine Treibhausgase entstehen, welche die Natur beeinflussen könnten. Au-ßerdem wird der Müll, der sich im Wasser befindet durch den Rechen des Kraftwerkes aufge-fangen und danach entsorgt. Noch ein Vorteil ist die Regulation des Flusses, womit Hoch-wasser vermieden werden kann. Das Wasser wird nicht verbraucht und bleibt immer vorhan-den, da es zu den erneuerbaren Energien gehört. Dadurch muss nicht auf genügend Res-source geschaut werden. Die Nachteile sind, dass durch den Bau eines Wasserkraftwerkes das natürliche Gleichgewicht des Flusses verändert wird und dass die Fische durch die Tur-binen sterben. So besteht auch die Gefahr, dass der Damm bricht, was verheerend wäre. So kann auch bei großen Staudämmen Versandungen auftreten, wodurch er seine Staukapazi-tät verliert.

Der größte Vorteil für die Windkraftwerke ist der emissionsfreie Betrieb, wodurch keine Um-weltverschmutzung im Vergleich zu den anderen Kraftwerken herrscht. So sind die Wind-kraftwerke rohstoffunabhängig, da sie mit den erneuerbaren Energieträgern funktionieren. So sind auch die Einrichtungskosten für Windkraftwerke recht billig. Der Nachteil dabei ist die

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Verwüstung der Natur durch die Verbauung der vielen und hohen Anlagen. Außerdem herrscht eine Geräuschbelastung für die unmittelbare Umgebung und eine Beeinträchtigung der Empfängergeräte im Windschatten. Hierzu kommt die unregelmäßige Energieträge der Kraftwerke durch die unterschiedliche Windstärke.

Der größte Vorteil für die Gezeitenkraftwerke ist das Wasser, da es in riesigen Mengen vor-liegt und aufgrund der Nutzung der Strömung nicht verbraucht wird. So entsteht auch bei der Stromproduktion kein Kohlendioxid (CO2) und somit auch keine Umweltverschmutzung. Auf-grund der Tatsache, dass Wasser eine erneuerbare Energieform ist, besteht nicht die Gefahr, dass die Quelle aufgebraucht wird. Die Nachteile liegen darin, dass Ebbe und Flut nur alle zwölf Stunden auftreten und somit immer zwischendurch Zeiten ohne Stromproduktion ent-stehen. Außerdem müssen die Turbinen aufgrund des Salzwassers regelmäßig ausgetauscht werden, was wiederum Geld kostet. Da es nicht viele Orte gibt, an denen ein effizientes Ge-zeitenkraftwerk errichten werden kann, können diese Kraftwerke nur einen geringen Anteil des Strombedarfs decken. Außerdem stellen die Gezeitenkraftwerke einen tiefen Eingriff in die betroffenen Ökosysteme dar, da der Damm beispielsweise eine unüberwindbare Barriere für Meeresbewohner ist und die Dynamik der Wasserstände wird durch die Wasserstauung gestört.

Die Gaskraftwerke haben den Vorteil, dass sie sich sehr schnell hochfahren lassen. Aufgrund dieser Schnellstartfähigkeit können diese Kraftwerke für die kurzfristigen Spitzenbelastungen eingesetzt werden. So ist der Bau dieser Gaskraftwerke relativ günstig, aber sie haben durch den geringen Wirkungsgrad hohe Betriebskosten. Sie haben den Vorteil, dass die Abgase der Turbinen beim Verlassen noch eine hohe Temperatur besitzen, wodurch sie zur Behei-zung eines Dampfkessels im Gas-und Dampfturbinenkraftwerke verwendet werden. Die Nachteile sind natürlich die CO2-Abgabe und die Tatsache, dass Erdgas ein fossiler Brenn-stoff ist, womit die Nachhaltigkeit ein Problem sein kann.

Die Sonnenkraftwerke haben den Vorteil, dass die Sonne soviel Energie produziert, dass die-se Kraftwerke immer genug Strom oder Wärme erzeugen können, ohne in die Knappheit zu geraten. So können die Sonnenkraftwerke sowohl Wärme als auch Strom erzeugen. Außer-dem entsteht bei der Produktion von Strom kein Kohlendioxid (CO2), welches eine sehr wich-tige Eigenschaft für sie Umwelt ist. Während Kohle und Öl schädliche Abfallprodukte an die Umwelt abgeben, ist das bei der Energiegewinnung durch die Sonne nicht der Fall. Außer-dem haben diese Kraftwerkstypen niedrigere spezifische Investitionskosten. Jedoch besitzen sie auch die Nachteile, dass sie hohe Betriebs- und Wartungskosten haben. So ist auch die Speicherung von Sonnenenergie sehr schwierig und hat einen hohen Geldaufwand.

Die wichtigsten Vorteile für die Biogaskraftwerke sind, dass Biogas aus erneuerbaren, nach-wachsenden, örtlich verfügbaren Rohstoffen erzeugt wird und dass dies eine CO2-neutrale-Energieerzeugung ist. So wird die Umwelt durch CO2 Abgasen nicht verschmutzt. Außerdem kann das Methan gereinigt werden und dann als Kraftstoff für Fahrzeuge benutzt werden. So besitzen die Biogaskraftwerke eine steuerbare Leistung, da eine Anpassung an den Bedarf herrscht. Sie verbessern auch die Qualität des Düngers, da Rohgülle allein nicht so effektiv ist. Die Nachteile wiederum sind, dass nur gasdichte Anlagen klimafreundlich sind, da Me-than eine 32-mal so hohen gewichtsbezogenes Treibhauseffekt wie Kohlendioxid hat. Der 25 | S e i t e

gezielte Anbau von Energiepflanzen kann auch ökologische Probleme nach sich ziehen, da die Gefahr auf Monokulturen und intensive Landwirtschaft sehr hoch ist. Außerdem entste-hen ziemlich hohe Kosten durch großen Investitionsaufwand.

So kann man grob sagen, dass die erneuerbaren Kraftwerke deutlich wenige ökologische Probleme vorbereiten als die konventionellen Kraftwerke.

Primärenergieverbrauch in Deutschland 2005 nach Energieträgern :

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http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik

http://www.schulwiki.org

http://www.dpg-physik.de

http://www.kernenergie.de

http://www.bundesregierung.de

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