Elektrische Energietechnik
Energietechnik ist eine Fachübergreifende Ingenieurswissenschaft. Sowohl Maschinenbauer (Turbinen, Heizkessel, Reaktoren), Elektrotechniker (Generatoren, Transformatoren, Regelung), Bauingenieure (Dammbau, Maschinenhaus) beschäftigen sich u.a. mit der Effizienz von Energieerzeugung, Energieumwandlung, Energietransport und Energienutzung.
Energieerzeugung
Bedarf
Ein Großteil unserer täglich verfügbaren Energie wird in Kraftwerken erzeugt. Dabei werden verschiedene Arten von Primärenergie (Kohle, Gas, Sonne, Uran, Wind) in Nutzenergie (Strom, Wärme) umgewandelt. Der Bedarf an Energie in einem öffentlichen Netz ist stark von saisonalen Schwankungen geprägt. Im Sommer wird weniger Strom für Licht und Wärme benötigt als im Winter. Auch während eines Tages treten große Schwankungen auf. So ist ein Peak des Strombedarfs eines öffentlichen Netzes v.a. morgens zwischen 6-8 Uhr zu bemerken. Da überflüssiger Strom nur mit Verlusten zu speichern ist, versucht man den Verlauf des Strombedars innerhalb eines Netzes möglichst genau vorherzubestimmen. Schwankungen beim Bedarf eines regionalen Stromnetzes werden ausgeglichen indem man mehrere regionale Stromnetze miteinander verbindet und so einen homogeneren Verlauf der Bedarfskurve erreicht.
Kraftwerksarten
Kraftwerke lassen sich nach ihrem Versorgungsangebot unterteilen:
- Diese beanspruchen hohe Investitionskosten, haben dafür allerdings geringe Betriebskosten. Als Konsequenz sind sie also nur wirtschaftlich wenn sie sehr lange Jahresbetriebszeiten aufweisen. Das Anfahren von Grundlastkraftwerken beansprucht im Extremfall bis zu mehreren Tagen. Sie produzieren den Großteil des in Deutschland verbrauchten Stromes.
- Als Grundlastkraftwerke werden v.a. Atomkraftwerke und Kohlekraftwerke eingesetzt.
- Diese befinden sich in den Investitionskosten bzw. Betriebskosten zwischen den Grund- und Spitzenlastkraftwerke und sind dafür ausgelegt größere Schwankungen im Tagesverlauf der Energieversorgung auszugleichen.
- Als Mittellastkraftwerke werden v.a. Flusswasserkraftwerke und GuD-Kraftwerke eingesetzt.
- Sie haben die Aufgabe Versorgungslücken der Energiebereitstellung zu schließen. Geringe Investitionskosten und hohe Betriebskosten machen den Strom aus Spitzenlastkraftwerken sehr teuer. Dies ist auch der Grund für nur geringe Betriebszeiten von Spitzenlastkraftwerken. Sie können jedoch sehr schnell angefahren werden. Ein typisches Beispiel für Spitzenlastkraftwerke sind Speicherkraftwerke. In Speicherseen mit großem Höhenunterschied zu einem Fluss wird die potenzielle Energie des Wassers in Zeiten hohen Energiebedarfs (Tag) in Strom gewandelt. Sinkt der Energiebedarf des Netzes (Nacht) wird das Wasser wieder in den See gepumpt. Deutschland muss Strom in Spitzenzeiten sehr oft von unseren Nachbarländern Österreich und Schweiz zu hohen Preisen zukaufen. 2003 wurde das in Deutschland größte Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal (im Thüringer Wald) errichtet und wird aufgrund von ungünstigen geologischen Bedingungen auch das größte bleiben.
- Je mehr Stromerzeuger errichtet werden welche unstetig Strom produzieren (Windkraft, Photovoltaik)) umso größer wird die Bedeutung von Spitzenlastkraftwerken.
Eine weitere Unterteilungsmöglichkeit ist die Art ihres Primärenergieträgers:
- Kohlekraftwerke
- In einem Brennofen Kohle verbrannt. Die erzeugte (Wärme-)Energie bringt in einem zweiten Kreislauf Wasser unter hohem Druck (somit steigt die Siedetemperatur) zum Sieden. Das Wasser wird überhitzt, d.h. es bildet sich Dampf mit einer sehr hohen Temperatur und unter sehr hohem Druck. Anschließend wird es in einer Dampfturbine entspannt, d.h. die Temperatur und der Druck fällt. Das Wasser liegt jedoch noch immer als Dampf vor. Nach der Turbine wird der Wasserdampf in einem Kondensator weiter entspannt, so dass am Schluss wieder Wasser vorliegt, welches man mittels des Brennofens verdampfen kann. Dies nennt man einen Kreisprozess, da dass Wasser stets wiederverwendet wird. Dieser speziell Kreisprozess wird Clausius-Rankine-Prozess genannt. Die angetriebene Turbine treibt mittels einer Welle einen Generator an der Strom erzeugt.
- Gaskraftwerke
- Bei Gaskraftwerken wird in einer Gasturbine ähnlich einem Flugzeugtriebwerk ein komprimiertes, also unter hohem Druck stehendes, Gemisch aus Luft und Gas entzündet. Die Expansion dieses Gemisches treibt in der Gasturbine die Welle an, an welcher ein Generator angeschlossen ist. Auch dieser Prozess ist ein Kreisprozess. Luft wird am Eintritt der Gasturbine unter Umgebungsdruck und Temperatur angesaugt und komprimiert. In der Brennkammer wird Gas eingespritzt und entzündet. Dies ist eine exotherme Reaktion es entsteht also Energie welche sich durch einen hohen Druck und einer hohen Temperatur bemerkbar macht. In der eigentlichen Turbine wird das verbrannte Gemisch dann expandiert, d.h. der Druck und die Temperatur sinken und die kinetische Energie des Gemisches wird auf die Laufschaufeln der Turbine übertragen. Diesen drehen sich und übertragen die Kraft weiter an die Welle welche letztendlich den Generator antreibt.
- GuD-Kraftwerke
- GuD-Kraftwerke sind kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke. Bei einer Gasturbine hat die Luft am Austritt noch eine hohe Temperatur. Diese kann genutzt werden um das Wasser bei Dampfkraftwerken vorzuwärmen. In Kombination ergeben diese beiden einen höheren Wirkungsgrad als nur jeweils eines von ihnen.
- Fernwärmekraftwerke
- Atomkraftwerke
- Fusionskraftwerke
Regelung
Strom wird erzeugt indem ein der Rotor eines Generators in eine Drehbewegung versetzt wird. In großen Kraftwerken sind diese Generatoren ausschließlich Asynchronmaschinen. Eine solche Asynchronmaschine erzeugt einen sog. Drehstrom. Dies sind drei, um jeweils 120°, phasenverschobene Sinusschwingungen der Spannung. Je nachdem wie lange eine Schwingung von ihrem negativen Extremwert zu ihrem positiven Extremwert benötigt, ergibt sich daraus eine bestimmte Frequenz. Ändert sich also die Spannung innerhalb einer Sekunde um 50 mal von Negativ auf Positiv, so ergibt sich eine Frequenz von 50 Hz. Genau dass ist auch die Frequenz welche wir in Deutschland in unserem Stromnetz haben.
Wird nun der Strombedarf eines Stromnetzes erhöht, so muss der Generator mehr Leistung erbringen. Also muss bspw. die Dampf- oder Wasserturbine eine größere Leistung an den Generator übertragen. Tut sie dies nicht wird der Generator infolge des größeren Widerstandes (da er ja jetzt mehr Strom produzieren soll) langsamer laufen. Somit ändert sich also auch die Frequenz - sie wird langsamer. Die Frequenz ist also ein charakteristisches Merkmal welche den Strombedarf eines Netzes beschreibt. Und tatsächlich werden Kraftwerke nach der Frequenz des Stromnetzes geregelt. Ist sie zu niedrig müss die Dampf- oder Gasturbine mehr Leistung bringen. Ist sie zu hoch wird die Leistung reduziert.
Hierzu ist aufwendige Regelungstechnik nötig. In einem großen Stromnetz hängen viele Energieerzeuger miteinander zusammen. Untereinander abgestimmt muss nun die erforderliche Strommenge bereitgestellt werden.
Tatsächlich hängt die Bereitstellung von Strom jedoch von noch weiteren Einflüssen ab. Der deutsche Strommarkt ist seit inkrafttreten des Energiewirtschaftsgesetzes im April 1998 liberalisiert und Strom wird auf der Strombörse in Leipzig und Frankfurt/Main wie eine Ware gehandelt. Große Netzbetreiber (z.B. Städte), aber auch Privatkunden und Industrieunternehmen kaufen bei Energieversorger (wie EON oder EnBW) Strom ein. Je nachdem wieviel Strom ein Energieversorger also verkauft wird er auch produzieren.
Energietransport
Siehe auch
Dampfkraftwerk mit Dampfturbine, Fotovoltaikanlage, Gasturbine, GuD-Kraftwerk, Kernkraftwerk mit Kernreaktoren, Kohlekraftwerk, Regenerative Energie, Wärmekraftwerk, Wasserkraftwerk mit Wasserturbine, Windenergieanlage