Elektrische Kraft

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Inhaltsverzeichnis

Seite 1 Inhaltsverzeichnis

Seite 2 Von der Muskelkraft zum Stromverbrauch

Seite 3 Strom aus Wind

Seite 4 Strom aus Wind

Seite 5 Strom aus Wasserkraft

Seite 5 Strom aus der Erdumdrehung

Seite 6 Strom aus einem Staudamm

Seite 7 Strom aus Wasserdampf

Seite 8 Strom durch Kernspaltung

Seite 9 Wärmekraftwerke

Seite 9 Stromversorgungsnetze

Von der Muskelkraft zum Stromgebrauch

Die Menschen brauchen Energie um ihre Existenz zu sichern. Bis ins 19.Jahrhundert hinein waren sie auf ihre eigene Muskelkraft und die Kraft ihrer Tiere angewiesen. Die technische und wissenschaftliche Entwicklung veränderte die Arbeitswelt von Grund auf und sie wirkte sich auf das Alltagsleben fast aller Menschen aus. Jedoch musste die Energie, wie sie etwa von einer Dampfmaschine erzeugt wurde, an Ort und Stelle genutzt werden. Die Kraft ließ sich also nur über kurze Strecken transportieren.
Erst der elektrische Strom machte es möglich, Energie in kürzester Zeit über weite Strecken zu befördern. Für uns ist es heute selbstverständlich, jederzeit über eine Steckdose Strom für Licht, Wärme oder den Betrieb von Geräten aller Art zu beziehen. Natürlich waren eine Reihe von Erfindungen und Entdeckungen notwendig, bevor Strom produziert und übertragen konnte. Heute kennen wir viele Möglichkeiten Strom zu erzeugen:

"Energie ist eine Konstante Größe," sagte Robert von Mayer, ein deutscher Arzt "sie lässt sich zwar in verschiedene Formen umwandeln, kann aber keinesfalls erzeugt noch verbraucht werden."
Die Hauptquelle für die natürlichen Prozesse auf der Erde, bei denen Energie umgewandelt wird, ist die Sonne. Indirekt ist die Sonne auch für die in den anderen Primärenergieträgern gespeicherte Energie verantwortlich. Bei der Umwandlung von gespeicherter Energie in Nutzenergie geht ein Teil der Energie, zumeist in Form von Abwärme, verloren.

Strom aus Wind

Ein Windrad nutzt die Windkraft und wandelt sie in brauchbare Energie wie z.B. Strom um. Es gibt Windräder und Windmühlen schon seit dem Mittelalter. In Persien ,dem heutige Iran, baute man einfache Windmühlen schon seit dem 10. Jahrhundert. Sie dienten vor allem zur Bewässerung und zum Mahlen von Getreide. Bei den ersten Windmühlen war das Windrad mit Segeln horizontal gelagert und trieb eine vertikal stehende Achse an. Diese Vorrichtungen waren zwar nicht sehr leistungsstark, verbreiteten sich jedoch bis nach China und dem Mittleren Osten. Wahrscheinlich gelangte diese Technik auch über die Kreuzzüge nach Europa. Zwischen dem 15. und dem 18. Jahrhundert erfüllten Windmühlen neben dem Mahlen von Getreide und der Bewässerung von Ackerland eine Vielfalt weiterer Aufgaben. Zu diesen gehörte das Abpumpen von Meereswasser aus Gebieten, die unter dem Meeresspiegel lagen, außerdem dienten Windmühlen zum Sägen von Holz, zur Papierherstellung, zum Ölpressen aus Samen und zum Mahlen unterschiedlicher Rohmaterialien. Insbesondere durch die Niederländer wurde der Windmühlenbau im 17. und 18. Jahrhundert gefördert. Bis zum 18. Jahrhundert hatten die Niederländer annähernd 9 000 Windmühlen gebaut. Zu den wichtigsten technischen Verbesserungen der Windmühle zählt eine im Jahr 1745 erfundene mechanische Einrichtung zur Windrichtungsnachführung. Mit Hilfe dieser Konstruktion ließen sich die Flügel automatisch in den Wind drehen. Wie wir wissen, werden heute Windkraftanlagen meist zur Stromerzeugung genutzt. Man unterteilt diese Anlagen in zwei Kategorien: Anlagen mit horizontal laufender Achse und solche mit vertikaler Achse. Bei Anlagen mit horizontal laufender Achse ist an einem Achsenende ein zwei - oder mehrblättriger Rotor installiert, der über ein Getriebe mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Der Rotor wird zwecks optimaler Ausbeute mit Hilfe eines Computers in den Wind gedreht. Bei zu großer Windstärke wird der Rotor automatisch verriegelt. Die gebräuchlichste Konstruktion mit vertikal laufender Achse ist der sogenannte Darrieus - Rotor. Diese Maschine ist von der Windrichtung unabhängig und sieht im Prinzip so ähnlich aus wie ein Schneebesen. Ein Darrieus - Rotor kann jedoch nicht von selbst anlaufen. Deshalb werden Darrieus - Rotoren mit leicht anlaufenden Savonius - Rotoren kombiniert. Beim Savonius - Rotor stehen sich zwei gebogene, vertikal stehende Flügel gegenüber. Wissenschaftler schätzen, dass bis Mitte des 21. Jahrhunderts zehn Prozent des Strombedarfs der gesamten Welt durch Windkraftwerke geliefert werden könnte. Die erfolgreichsten Windenergieanlagen für eine großangelegte Energiegewinnung sind von mittlerer Größe (von 15 bis 30 Metern Durchmesser und einer Leistung von 100 bis 400 Kilowatt). In Deutschland wurden 1990 über 4 000 Windkraftanlagen errichtet, das hört sich viel an, es sind aber nur 0,5 % des Netto - Stromverbrauchs von Deutschland. Es sollte mindestens einen Windjahresdurchschnitt von 4 bis 5 Metern pro Sekunde haben, dass es sich lohnt eine Windkraftanlage zu errichten. Diese Werte sind fast nur an Küstenregionen zu finden.

Strom aus Wasserkraft

Die Nutzung der Wasserkraft reicht bis ins antike Griechenland und Rom zurück, wo Wasserräder meist zum Mehlmahlen eingesetzt wurden. Die Verfügbarkeit der billigen Arbeitskraft von Sklaven und Tieren verhinderte jedoch bis um das 12. Jahrhundert eine weitere Verbreitung. Im Mittelalter entwickelte man große Wasserräder aus Holz, die eine maximale Leistung von etwa 37  Kilowatt erbrachten. Die moderne Wasserkraft verdankt ihre Entwicklung dem englischen Bauingenieur John Smeaton, der als erster große Wasserräder aus Gußeisen baute. Die ersten Wasserkraftwerke zur Stromgewinnung wurden 1880 im englischen Northumberland errichtet. Die Wiedergeburt der Wasserkraft erfolgte um die Jahrhundertwende mit der Entwicklung des Generators, der Weiterentwicklung der Wasserturbine und der wachsenden Nachfrage nach Strom.

Strom aus der Erdumdrehung

Eine große Höhendifferenz zwischen Ebbe und Flut und eine natürliche Meeresbucht oder eine entsprechende Flußmündung sind die Voraussetzungen für ein Gezeitenkraftwerk. Es besteht im wesentlichen aus einem künstlichen Damm, der die Bucht vom Meer abschneidet. Das Meerwasser kann nun nur noch durch röhrenförmige Durchlässe, die in den Damm eingebaut sind, in die Bucht oder zurück strömen. In diesen Röhren befinden sich natürlich Turbinen, die meist die Strömung nach beiden Richtungen verarbeiten. Das erste und bekannteste Gezeiten - kraftwerk ist La Rance in Frankreich. Der Damm hat eine Länge von 700 Meter und besitzt 24 Turbinen, die Gemeinsam eine Leistung von 240 MW aufbringen. Dabei fließen bis zu 260 m³ Wasser pro Sekunde durch eine Turbine. Die Entwicklung von Gezeitenkraftwerken wird vor allem in der Sowjetunion vorangetrieben. Denn ihre Küsten grenzen an drei Randmeere, in denen günstige Bedingungen für die Nutzung der Flutwellen vorhanden sind.

Strom aus einem Staudamm

Ein Staudamm ist eine Barriere, die z. B. gegen einen Fluß oder eine Strömung errichtet wird, um entweder das Hinterland vor eindringendem Wasser zu schützen oder einen Stauraum zur Wasser - sicherung zu schaffen (Stausee). Zweck - mäßigerweise errichtet man einen Staudamm in einem Flußtal und erhält so eine Talsperre. Talsperren dienen zur Erzeugung von elektrischem Strom zur Trink - und Brauchwasserversorgung und zur Wasserspeisung für landwirtschaftlich genutzte Bewässerungs - systeme. Darüber hinaus haben einige Dämme auch andere Funktionen, wie z. B. Begradigung oder Umleitung von Flüssen. Der älteste noch erhalten gebliebene Staudamm wurde am Orontes (Syrien) 1300 v. Chr. erbaut. Zahlreiche Erdwälle aus jenen Zeiten waren Teile eines aufwendigen Bewässerungssystems. Die Konstruktion von scheinbar unzerstörbaren Dämmen mit großer Höhe und enormer Speicherkapazität wurde erst sehr viel später durch den Einsatz von Zement und Beton sowie moderner Fördertechnik möglich. Dass das Wasser ablaufen kann, gibt es einen Auslasskanal. In diesem Auslasskanal befindet sich eine Turbine. Die Turbine wird durch das Wasser angetrieben, die Turbine wiederum treibt einen Generator, der dann Strom erzeugt, an.

Strom aus Wasserdampf

Zur Erzeugung von Wasserdampf ist ein Dampfkessel notwendig. Wasserdampf wird vorallem zum Antrieb von Turbinen, Dampfmaschinen, zur Gebäudebeheizung oder für sonstige Maschinen genutzt. Je nach Nutzungsart lässt sich Dampf mit entsprechend benötigten Temperaturen und Drücken erzeugen. Konstruktion und Ausmaße der Anlage hängen ebenfalls von der Art der Nutzung ab. Bei einem Dampfkraftwerk ist meist ein hoher Druck vorhanden. Wie bei fast allen Stromerzeugungsmethoden wird auch hier eine Turbine angetrieben, jedoch eine eigens dafür konstruierte Dampfturbine, diese treibt dann wieder einen Generator an. Eine Dampfturbine, wie oben im Bild zu sehen ist, besteht zum einen aus feststehenden Leiträdern, und zum anderen aus gleich vielen drehbaren Laufrädern. Der Dampf strömt unter hohem Druck in die Turbine. Die feststehenden Leiträder leiten den Dampf mit hoher Geschwindigkeit durch Düsen auf die drehbaren Blätter. Der Dampf bewegt sich durch zwei oder mehr aufeinanderfolgende Paare von Leiträdern und Laufrädern. Turbinen mit mehr Laufrädern und Leiträdern sind wirkungsvoller als Turbinen mit weniger Laufpaaren.

Strom durch Kernspaltung

Ein Atomkraftwerk produziert durch Kernspaltung Hitze. Wenn die Atomkerne auseinanderbrechen, werden große Mengen Energie freigesetzt. Im Innenraum des Reaktors findet eine anhaltende atomare Kettenreaktion statt. Weltweit ist der Druckwasserreaktor der am häufigsten gebaute Reaktortyp. Er verfügt über zwei Wasserkreisläufe. Der erste Wasserkreislauf pumpt Wasser, das im Reaktorinnenraum erhitzt wurde durch Spiralrohre in einen Wärmetauscher. Das Wasser bleibt selbst bei 300°C flüssig, weil es auf ein Drucknivou von 150 Atmosphären gebracht wurde. Im zweiten Kreislauf wird das im Wärmetauscher in Dampf umgewandelte Wasser unter hohem Druck zu den Turbinen geführt. Den Dampf kühlt man mit Wasser, das aus großen Reservats wie Flüssen oder Meeren entnommen wird. Das kondensierte Wasser wird durch Pumpen in den Wärmetauscher zurückgeführt. Schließlich produzieren die Generatoren Elektrizität, die über Leitungen ins Stromverteilungsnetz geführt wird.

Wärmekraftwerke

Zu den Wärmekraftwerken gehören die meisten Kraftwerke. Es sind Kraftwerke, bei denen Wärmeenergie frei wird. Dazu zählen Atomkraftwerke und Kraftwerke bei denen Kohle, Erdöl, Erdgas und andere Brennstoffe in Wärmeenergie umgesetzt werden. Mit dieser Wärmeenergie wird Wasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf treibt dann wieder Turbinen an und die Turbine erzeugt dann wieder Strom.

Stromversorgungsnetze

Stromversorgungsnetze ermöglichen z.B. die Nutzung von Wasserkraft über große Distanzen. Moderne Strom - versorgungsnetze arbeiten mit Wechselstrom, da dessen Spannung mit Hilfe von Transformatoren leicht erhöht oder verringert werden kann. Somit kann jeder Teil des Systems mit der geeigneten Spannung betrieben werden. Ein Stromversorgungsnetz besteht aus sechs Hauptelementen:

dem Kraftwerk, den Transformatoren, welche die erzeugte Spannung auf die hohen Spannungen der Hochspannungsnetze transformieren,  den Hochspannungsleitungen,  den Transformatoren, welche die Spannung der Mittelspannungsnetze erzeugen,  den Mittelspannungsnetzen und  den Transformatoren, welche die vom Verbraucher benötigte Spannung erzeugen.

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