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Experte
8. Mai 2015
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Wie wird Strom erzeugt?

Ohne Strom wäre unsere technologisch geprägte Gesellschaft nicht lebensfähig. Er wird überall gebraucht, im Haushalt, im Beruf und im öffentlichen Leben. Doch wie wird Strom erzeugt? Hier erfahren Sie mehr über die gängigen Erzeugungsarten.

Elektrische Energie wird durch Umwandlung aus anderen Energieformen erzeugt. Wobei „erzeugt“ streng physikalisch genommen nicht richtig ist, denn Energie kann nicht einfach entstehen, sondern nur aus einer anderen Energieform umgewandelt werden.

Ein einfaches Beispiel ist der Fahrraddynamo. Durch die Bewegung des Fahrrads dreht sich eine im Dynamo enthaltene Kupferspule um die sie umgebenden Magnete. Dadurch wird in der Spule ein Stromfluss erzeugt, der die Fahrradlampe zum Leuchten bringt. Ungefähr dasselbe Prinzip verwendet auch ein Kraftwerksgenerator.

Kraftwerke werden nach der Art, wie in ihnen Strom gewonnen wird, unterschieden. Die Energieform, die eine Turbine antreibt und mit der ein Generator in Bewegung gesetzt wird, fungiert dabei als Namensgeber. Auf diese Weise kann zwischen Kohlekraftwerken, Wasserkraftwerken, Gasturbinenkraftwerken, Windkraftwerken, Biomassekraftwerken und vielen anderen Arten unterschieden werden.

Brennstoff Kohle 

Kohlekraftwerk

Grafische Darstellung der Funktionsweise eines Kohlekraftwerks, Grafik: Vattenfall

Bei der Stromerzeugung mit Kohle vollzieht sich folgende Energieumwandlungskette: Im Kraftwerk wird Kohle verbrannt. Die dabei entstehende Hitze verwandelt Wasser in Wasserdampf. Dieser treibt riesige Räder an – das sind die Turbinen. Sie hängen an einem Generator, der durch die Drehung der Turbinen Strom erzeugt. Bewegungsenergie wird also in elektrische Energie umgewandelt. Häufig dient die Wärme des Dampfes zusätzlich zur Stromerzeugung auch noch zur Beheizung von Gebäuden, zur Warmwasserbereitung oder als Prozesswärme für die Industrie. In diesem Fall spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung. Das geht natürlich nicht nur bei Kohle, sondern auch bei der Verbrennung von anderen Brennstoffen, wie zum Beispiel Gas oder Biomasse.

Brennstoff Gas

Gasturbine

Schnitt durch eine Gasturbine, Grafik: Vattenfall

Gaskraftwerke funktionieren ebenfalls nach dem klassischen Prinzip des Antriebs einer Turbine durch Wärme. In reinen Gasturbinenkraftwerken dient das Erdgas selbst als Brennstoff. Es wird in der Gasturbine unter Druck entzündet und verbrannt. Das so entstandene Gasgemisch treibt eine Turbine an, die an einen Stromgenerator gekoppelt ist. In den mit Gas befeuerten Dampfkraftwerken wird mit dem heißen Brenngas Wasser erhitzt. Der so entstehende Dampf treibt die Turbine an. Moderne Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (kurz GuD-Kraftwerke) kombinieren diese beiden Prozesse und nutzen die heißen Gase aus der Gasverbrennung einfach ein zweites Mal, um damit einen Dampfkessel zu erhitzen und eine weitere Turbine anzutreiben. Die Bewegungsenergie beider Turbinen wird schließlich an den Generator übertragen, der daraus Strom erzeugt.

Brennstoff Biomasse

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Biomasse ist eine Alternative, Vattenfall setzt auf Nachhaltigkeitskriterien beim Einsatz, Grafik: Vattenfall

Auch in Biomassekraftwerken wird durch die Verbrennung in einem Kessel zunächst Dampf erzeugt, der eine Turbine und einen Generator antreibt. Wie bei der Verfeuerung von fossilen Brennstoffen wird auch bei der Biomasseverbrennung Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben. Biomasse bindet jedoch während der Wachstumsphase CO2 durch den Prozess der Photosynthese. Das bei der Biomasseverbrennung freigesetzte Kohlendioxid wird somit durch nachwachsende Biomasse absorbiert. Biomasse ist daher bei ordnungsgemäßer Bewirtschaftung langfristig CO2-neutral. Derzeit wird darüber diskutiert, innerhalb welches Zeitraums Biomasse wirklich CO2-neutral ist und wie nachhaltig der Einsatz des Brennstoffs wirklich ist.

Kernenergie

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Funktionsschema eines Druckwasserreaktors, Grafik: Vattenfall

In einem Kernkraftwerk wird durch die Energie durch Spaltung von Atomkernen erzeugt. Während des Prozesses werden Uran-Atomkerne mithilfe von Neutronen gespalten, welche mit den Atomen kollidieren. Dabei werden neue Neutronen freigesetzt, die wiederum andere Atomkerne spalten können. Auf diese Weise wird eine Kettenreaktion in Gang gesetzt. Als Brennstoff in Kernkraftwerken wird in der Regel ein spezielles Isotop des chemischen Elements Uran verwendet, das Uran-235. Der Kernspaltungsprozess wird durch den Einsatz von verschiedenen Steuerstäben gesteuert, welche die freigesetzten Neutronen absorbieren, wodurch die Reaktionsrate der Kettenreaktion verringert oder vollständig unterbrochen werden kann.

Mit Hilfe dieses Prozesses wird wie bei den vorherigen Brennstoffen Wasser erwärmt, sodass Wasserdampf entsteht. Der Wasserdampf wird zum Antrieb einer Turbine genutzt, welche wiederum einen Generator antreibt, der den Strom erzeugt.

Wasser als Energieerzeuger

Geesthacht

Pumpspeicherwerke sind hier in Deutschland eine Anwendungsform für Wasserkrafterzeugung. Grafik: Vattenfall

Ganz ohne Verbrennungsprozesse kommen Wasserkraftwerke aus. Ihre Turbinen werden durch die Bewegungsenergie, die zum Beispiel im Flusswasser enthalten ist, angetrieben. Diese setzt den Generator in Gang, der sie in elektrischen Strom umwandelt. Um eine höhere Fließgeschwindigkeit und damit ein höheres Energiepotenzial des Wassers zu nutzen, befinden sich Wasserkraftwerke oft in Gebirgen. Eine besondere Art der Wasserkraftwerke sind Pumpspeicherkraftwerke. Sie können Strom erzeugen und Energie speichern. Wenn ein Überschuss an Strom herrscht, wird Wasser über Rohrleitungen in einen höhergelegenen Obersee gepumpt. Wird Strom benötigt, so fließt das Wasser vom Oberbecken in das Unterbecken und treibt dabei die Turbine an, die auch hier an den stromerzeugenden Generator gekoppelt ist.

Wind als Antriebsquelle

Wind

Funktion des Windrads, Grafik: Vattenfall

Auch bei der Nutzung der Windkraft wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Sobald die Windkrafträder ins Rotieren kommen, übernehmen sie gewissermaßen die Rolle der Turbine und treiben einen Generator an, der Strom produziert. Mittels eines Automatiksystems wird die Turbine jederzeit in die Richtung des Windes gedreht. So können Winde aus verschiedenen Richtungen zur Energieerzeugung genutzt werden.

Ein großer Windpark kann aus hunderten Windenergieanlagen bestehen, die über ein Übertragungssystem verbunden sind. Je nach Windstärke besteht zwischen den einzelnen Windenergieanlagen eines Windparks eine Distanz von vier bis zehn Rotordurchmessern. Auf diese Weise können die Effizienzverluste minimiert werden, die durch Turbineninterferenzen, dem sogenannten Nachlaufeffekt, verursacht werden.

Bei Blitzen oder Windstille stellen die Turbinen auf den Standby-Modus um. Sobald jedoch eine Windgeschwindigkeit von mindestens 4 m/s erreicht wird, setzt sich die Turbine automatisch wieder in Gang. Die volle Auslastung der Turbine wird bei Winden von 12 bis 14 m/s erreicht. Steigt die Windgeschwindigkeit auf über 25 m/s, schaltet sich die Turbine ab, um unnötige Abnutzung zu verhindern

Sonne und der photovoltaische Effekt

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Solarenergie kann Strom oder aber auch Wärme produzieren, Grafik: Vattenfall

Die Solarzelle – auch Photovoltaikzelle –  genannt wandelt durch Verwendung des photovoltaischen Effekts Sonnenenergie direkt in Elektrizität um: Durch die Beleuchtung der Vorderseite der Solarzelle entsteht eine elektrische Spannung zwischen der Vorder- und Rückseite der Zelle. Die einzelnen Zellen produzieren eine niedrige Spannung von etwa 0,5 V. In Reihe geschaltete Solarzellen bilden Solarpaneele. Die Spannung wird somit auf einen für die Stromerzeugung angemessenen Pegel erhöht. Derzeit finden Solarzellen vorwiegend in kleineren Anlagen, beispielsweise für Privathaushalte, Anwendung. Die Anzahl großer Anlagen nimmt jedoch zu.

Weitere Kraftwerksformen

Neben den hier genannten Kraftwerken gibt es noch viele weitere Kraftwerksformen wie zum Beispiel Geothermiekraftwerke, Gezeitenkraftwerke oder Brennstoffzellenkraftwerke.

 

Übrigens: Welche Typen Vattenfall in welchen Ländern betreibt, erläutert die gerade neu überarbeitete Kraftwerkskarte. Diesen Monat schauen wir zudem hinter die Kulissen einiger unserer Anlagen, unser Themenschwerpunkt Mai liegt auf der Produktion von Strom und Wärme. 

Daniela Sasonow
Experte
8. Mai 2015

Für Vattenfall arbeite ich seit 2000 in der Kommunikation. Im Rahmen des Social Media Projektes habe ich diesen Blog mit aufgebaut. An meinem Job reizt mich die Themenvielfalt, die das Unternehmen bietet. Auch nach Jahren gibt es immer noch völlig neue Themen für mich zu entdecken, neue Menschen kennenzulernen und Aspekte zu durchdenken. Kommen Sie mit auf die Themenreise, ich freue mich auf Ihre Anregungen und Kommentare.

  • Friedrich Esslinger

    Was passiert eigentlich wenn erzeugter Strom nicht von einem Verbraucher abgenommen wird. Wie wirkt sich das auf den Generator aus bzw. wie regelt man diesen Zustand

    • Henri Bachmann

      Dann steigt die Frequenz im Stromnetzes. Durch die große Anzahl von drehenden Massen (Motore, Generatoren) wird der Anstieg etwas gepuffert. Kraftwerke, die an der Frequenzstabilisierung teilnehmen, müssen dann mit der Leistung etwas zurückfahren und die Frequenz sinkt wieder. Lokal hat es auch noch Einfluss auf die Spannung, aber im Großen Verbund funktioniert es über die Frequenz.

      • Friedrich Esslinger

        Was ist der technische Hintergrund für die Frequenzveränderung?
        Im dem Buch „Blackout“ wird genau dieser Umstand beschrieben, allerdings führt der
        Einsatz von Smart Zählern und deren Manipulation über das Internet zu einem
        Blackout des Stromnetzes. Diese sollen ja in Zukunft eingesetzt werden. Wie schützt man sich vor diesen Problemen?

  • Henri Bachmann

    Die Frequenzänderung würde ich einfach mit der Entlastung der Turbinen erklären. Ähnlich einem PKW: Bergauf nimmt die Belastung zu, die Drehzal sinkt, der Mensch muss das dann mit Gasfuß ausgleichen. Bergab läuft die Sache anders herum.
    Im Stromnetz geht das dann aber im Bereich von zehntel Herz auf und ab – im Normalzustand bei üblichen Laständerungen.

  • Pingback: Tiefstack: Moderner Traditionsstandort mit Potenzial | Vattenfall DeutschlandVattenfall Deutschland()

  • Experte
    Claus Wattendrup Claus Wattendrup
    12. April 2018

    „Die Photovoltaik wird weltweit das Rennen machen“

    Wenn es um den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien geht, hat sich Vattenfall lange Zeit auf den Zubau insbesondere der Windenergie an Land und auf hoher See konzentriert – mit [...]
  • Experte
    Mathias Bräsel Mathias Bräsel
    6. April 2018

    Vorbereitung zum Rückbau des Kernkraftwerks Brunsbüttel – Spezialsäge zerteilt Turbine

    Vor rund 40 Jahren wurde das Kernkraftwerk Brunsbüttel in Betrieb genommen. Seit 2007 wird kein Strom mehr produziert und 2012 wurde bei der atomrechtlichen Aufsichtsbehörde der Antrag auf Stilllegung und [...]
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    Kerstin Viering Kerstin Viering
    4. April 2018

    Wenn Bäume sich vom Acker machen

    Das gute alte Holz wird als Energiequelle wiederentdeckt: In Brandenburg wachsen gewaltige Pappel-Plantagen aus dem Boden - in Berlin werden die Bäume zu Wärme und Strom verarbeitet. Aber welche Umweltwirkungen [...]