Stromerzeugung
Unter Stromerzeugung versteht man die Herstellung von Strom (Elektrizität). Physikalisch ist dies immer eine Umwandlung von anderen Energiearten bzw. Energiequellen (Primärenergie) in elektrische Energie. Der Großteil der Stromerzeugung geschieht in Kraftwerken. Stromerzeugung außerhalb von Kraftwerken nennt man dezentrale Stromerzeugung.
Die Bruttostromerzeugung bezeichnet die im Kraftwerk an den Generatorklemmen erzeugte elektrische Arbeit.
Die Nettostromerzeugung berechnet sich aus der abzüglich des Kraftwerkseigenverbrauchs von Neben- und Hilfsanlagen, wie etwa Speisewasserpumpen.
Als Stromabgabe wird die Nettostromerzeugung abzüglich der durch Transport und Umspannung bedingten Arbeitsverluste im Netz bezeichnet.
Die Stromabnahme ist die von den Kunden des Netzbetreibers aus dem
Netz entnommene Leistung, entspricht im wesentlichen der abzüglich des
Verbrauchs der Netzbetreiber-eigenen Einrichtungen (Betriebsverbrauch).
Bei allen Arten der Stromerzeugung liefert die Thermodynamik die notwendigen theoretischen und praktischen Grundlagen zum Verständnis des Vorganges.
Mit Ausnahme der Systeme, die elektrische Energie direkt aus einer anderen Energieform gewinnen (Photovoltaik, Galvanische Zelle, Brennstoffzelle, Thermoionischer Generator, Thermoelektrischer Generator, TPV-Generator, MHD-Generator etc.) wird die elektrische Energie weltweit zum überwiegenden Teil aus kinetischer Energie in Form von Rotationsenergie gewonnen.
Die dabei eingesetzte Maschine nennt man Generator. Meistens werden Generatoren durch Turbinen angetrieben, welche die Bewegung einer Strömung in die für einen Generator benötigte Rotation wandeln. Generatoren können zur Stromerzeugung auch durch Verbrennungsmotoren, Stirlingmotoren oder Muskelkraft angetrieben werden.
Die Stromerzeugung eines Landes wird größtenteils durch
Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) geleistet, die die so
genannte allgemeine Elektrizitätsversorgung gemäß dem Energiewirtschaftsgesetz sicherstellen. Zukünftig könnte die dezentrale Energieerzeugung in privaten Anlagen an Bedeutung gewinnen.
| Energieträger |
Strommenge in TWh |
Anteil in % |
| Braunkohle |
156,0 |
24,5 % |
| Steinkohle |
145,0 |
22,8 % |
| Kernenergie |
140,5 |
22,1 % |
| Erdgas |
74,5 |
11,7 % |
| übrige Energieträger |
45,5 |
7,1 % |
| - davon Biomasse |
19,5 |
3,1 % |
| - davon Photovoltaik |
3,0 |
0,5 % |
| - davon Müll |
8,5 |
1,3 % |
| Windkraft |
39,5 |
6,2 % |
| Wasserkraft |
27,5 |
4,3 % |
| - davon regenerativ |
20,7 |
3,3 % |
| Mineralöl |
8,0 |
1,3 % |
| Summe |
636,6 |
100,0 % |
| - regenerativer Anteil |
86,6 |
13,6 % |
Die am häufigsten und für die Grundlastabdeckung eingesetzten Wärmekraftwerke sind Dampfkraftwerke. Sie erzeugen hochgespannten Wasserdampf, der Dampfturbinen antreibt. Die Primärenergie für die Dampfkessel kann durch Verbrennung aus fossilen Energiequellen wie Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas sowie aus erneuerbaren Energiequellen wie Holz oder Biogas erzeugt werden. Weiterhin gibt es Gasturbinenkraftwerke, die mit einer Gasturbine direkt die Generatoren antreiben. Sie werden jedoch aufgrund ihres geringeren Wirkungsgrades nur zur Spitzenlastabdeckung verwendet. Die Kombination eines Gasturbinenkraftwerks mit einem Dampfprozess in sogenannten GuD-Kraftwerken erreicht hingegen Wirkungsgrade von über 58 Prozent. Auch Kernkraftwerke sind im Prinzip Wärmekraftwerke.
Kleinere Kraftwerke haben oft auch gasbetriebene Verbrennungsmotoren (BHKW) oder Dieselmotoren (Notstromaggregate, Stromaggregate für abgelegene Regionen oder Großveranstaltungen) als Antrieb. Insbesondere in Biogas-Kraftwerken werden gasbetriebene Motoren eingesetzt.
Blöcke von Wärmekraftwerken haben derzeit Leistungen bis etwa 1600 MW. Der Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken reicht von etwa 15 bis über 40 Prozent. Generell gilt folgende Regel:
Starken Zuwachs erfahren derzeit dezentrale BHKW-Anlagen, welche die Wärmeerzeugung mit einem Stirling-Motor zum Antrieb eines Stromgenerators kombinieren. Solche Anlagen können für beliebige Energieträger gefertigt werden.
Es gab wenig erfolgreiche Versuche, die Verbrennungsgase von
Wärmekraftwerken zusätzlich mit einem magnetohydrodynamischen Generator
(MHD-Generator) zur Stromerzeugung zu nutzen, um deren Wirkungsgrad zu verbessern.
Sie nutzen die potentielle Energie von Wasser (Gezeiten, Flüsse) und die kinetische Energie von Wind. Im Gegensatz zu den meisten Wärmekraftwerken ist ihre Primärenergie
erneuerbar. Wasserkraftwerke können ebenfalls mit den größten
Leistungen gebaut werden, wobei sich ihre tatsächliche Leistung nach
den topographischen und hydrographischen
Gegebenheiten ihres Standortes richtet. Windkraftwerke haben als
einzelne Anlage eine Leistung von bis zu 5 MW, die technische
Entwicklung ist aber noch nicht abgeschlossen. Es wird von ihnen
erwartet, dass sie einen spürbaren Beitrag zur Abschwächung des Treibhauseffektes liefern.
Bei Halbleitern wie Silizium bewirkt die Bestrahlung mit Licht die
Bildung und Trennung von Ladungsträgern im Inneren und den Aufbau eines
nutzbaren Spannungsgefälles über den photoelektrischen Effekt. Unter Ausnutzung dieses physikalischen Effektes kann man mit Solarzellen
Strom erzeugen. Der Vorteil dieser Art der Stromerzeugung ist die
Wartungsarmut, da keinerlei bewegte Teile im Spiel sind. Der Nachteil
sind die noch relativ hohen Kosten und der Flächenbedarf der Solarzellen. (Aufgrund des relativ geringen Wirkungsgrades)
TPV-Generatoren (Thermo-Photovoltaik-Generatoren) erzeugen aus Wärme zunächst Strahlung (Infrarot, Glühlicht), die dann mittels photovoltaischer Zellen zu Strom umgewandelt wird.
Sonnenkollektoren können nicht nur zur Gewinnung von Wärme
aus dem einfallenden Sonnenlicht dienen, sondern es gibt auch mit
Sonnenlicht betriebene Anlagen zur Erzeugung von Wasserdampf, mit
dessen Hilfe Turbinen und Generatoren angetrieben werden. Als große
Einheit gefertigt, sind solche Sonnenwärmekraftwerke derzeit wesentlich effizienter und preiswerter als die Photovoltaik.
Siehe auch Solarstrom.
Bei diesem Verfahren wird die innerhalb der Erdkruste anstehende Wärme zum Antrieb von speziellen Turbinen im Organic Rankine Cycle
verwendet. Das Verfahren nutzt erneuerbare Energien, weist jedoch
aufgrund der geringen Temperaturdifferenz nur einen geringen
Wirkungsgrad auf.
Die stärkere Bedeutung besitzt die Erdwärme in direkter Nutzung als Wärmeenergie (Beheizung von Häusern u.a.).
Bei der Umsetzung der Kern- in elektrische Energie wird der Umstand ausgenutzt, dass die in den Atomkernen gebundene Energie bei sehr schweren Atomkernen wie Uran größer ist als bei Elementen mit einer mittelschweren Atomkernen wie Eisen (siehe Kernspaltung#Warum bei der Spaltung Energie frei wird).
Die Gewinnung von Energie durch Spaltung großer Atomkerne zu kleineren nennt man Kernspaltung, die Anlagen nennt man Kernreaktor. Man kann auch Energie durch Verschmelzung von kleineren Kernen gewinnen (Kernfusion). Geeignete Fusionsreaktoren wird es wohl nicht vor 2050 geben.
Kernkraftwerke sind im Prinzip Wärmekraftwerke, die bei der Kernspaltung entstehende Wärme erzeugt Wasserdampf, der mittels Dampfturbinen Generatoren antreibt.
In Europa nutzen 18 Länder Kernkraftwerke zur Energiegewinnung. In
zwei Ländern - Finnland und Bulgarien - werden derzeit neue
Kernkraftwerke gebaut, in Großbritannien, Frankreich und der Schweiz
sind Neubauten geplant. Italien ist aus der Atomstromerzeugung
ausgestiegen, weist 4 stillgelegte Kernkraftwerke auf und importiert
elektrischen Strom aus Frankreich, wo er in Kernkraftwerken produziert
wird. Die 25 EU-Staaten erzeugten 2004 insgesamt 935.809 GWh Atomstrom. Das ist eine Zunahme um 1,5 % im Vergleich zu 2000.
Zum Vergleich: Stromerzeugung 2006 weltweit = 2,8 Mrd MWh, 2005 = 2,75 Mrd MWh
Stromerzeugung in Europa nach Anzahl der Kernkraftwerke (2004)
| Rang |
Land |
in Betrieb |
stillgelegt |
Energieerzeugung
(GWh) |
Anteil an
Gesamtproduktion |
1. |
Frankreich |
59 |
11 |
426.800 |
78 % |
2. |
Russland |
31 |
12 |
133.017 |
16 % |
3. |
Großbritannien |
23 |
22 |
73.680 |
19 % |
4. |
Deutschland |
17 |
19 |
158.390 |
26 % |
5. |
Ukraine |
15 |
4 |
81.813 |
51 % |
6. |
Schweden |
10 |
3 |
75.039 |
52 % |
7. |
Spanien |
9 |
1 |
60.888 |
23 % |
8. |
Belgien |
7 |
1 |
44.857 |
55 % |
9. |
Tschechien |
6 |
0 |
24.817 |
32 % |
|
Slowakei |
6 |
1 |
15.624 |
55 % |
11. |
Schweiz |
5 |
0 |
25.432 |
40 % |
12. |
Finnland |
4 + 1 |
0 |
21.779 |
27 % |
|
Bulgarien |
4 |
2 |
15.598 |
42 % |
|
Ungarn |
4 |
0 |
11.209 |
34 % |
15. |
Litauen |
1 |
1 |
13.917 |
72 % |
|
Rumänien |
1 + 1 |
0 |
5.144 |
10 % |
|
Slowenien |
1 |
0 |
5.204 |
39 % |
|
Niederlande |
1 |
1 |
3.605 |
4 % |
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