Arten von Kraftwerken: Wasserkraft, Thermik und Kernenergie

Wasserkraftwerke: Die Kraft des Wassers nutzen

Wasserkraftwerke nutzen die kinetische oder potenzielle Energie des Wassers, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Man unterscheidet primär zwei Typen:

Laufwasserkraftwerke

Laufwasserkraftwerke nutzen die kinetische Energie fließenden Wassers. Sie werden an Orten errichtet, an denen die natürliche Strömung Turbinen antreibt. Diese Anlagen haben oft ein geringeres Gefälle.

Speicherkraftwerke

Speicherkraftwerke nutzen die potenzielle Energie. Wasser wird in einem künstlichen See gesammelt und je nach Strombedarf genutzt. Es gibt zwei Modelle:

• Mittelschwere Ableitung: Der Fluss wird durch einen kleinen Damm in einen Kanal mit minimaler Steigung umgeleitet.
• Akkumulationszentren: Diese liegen an Flussabschnitten, an denen ein Damm das Wasser aufstaut.

Talsperren und Staumauern

Eine Staumauer ist eine Konstruktion aus Beton, die senkrecht zum Flussbett errichtet wird, um ein Reservoir zu bilden.

• Gewichtsstauwand: Die Kraft des Wassers wird durch das Eigengewicht der Mauer ausgeglichen. Eine Variante nutzt Strebepfeiler zur Materialeinsparung.
• Bogenstaumauer: Sie ist bogenförmig und überträgt die Kräfte auf die seitlichen Felsen. Sie verbraucht weniger Baumaterial.

Technische Komponenten der Wasserkraft

Das Verhalten des Wassers: Es wird durch Tore und Metallgatter gesteuert. Diese ermöglichen auch die Evakuierung des Wassers, ohne dass es die Turbinen passieren muss.

Der Maschinenraum: Hier befinden sich die Turbogeneratoren. Je nach Fallhöhe und Durchflussmenge kommen verschiedene Turbinen zum Einsatz:

• Pelton-Turbine: Hohe Fallhöhe und regulierbarer Durchfluss.
• Francis-Turbine: Mittlere Fallhöhe und variabler Durchfluss.
• Kaplan-Turbine: Geringe Fallhöhe und hoher, variabler Durchfluss.

Transformatoren und Schaltanlagen: Diese dienen dazu, die Spannung auf einen für den Transport und Verbrauch geeigneten Wert zu erhöhen. Die meisten Stationen sind im Stromnetz miteinander verbunden und synchronisiert.

Funktionsweise und Pumpspeicherkraftwerke

Der Damm hält das Flusswasser zurück und bildet ein Reservoir. Die Turbogruppen befinden sich am Fuße des Dammes. Das Wasser erreicht die Turbinen durch Druckrohrleitungen. Potenzielle Energie wird beim Öffnen der Schleusen zu kinetischer Energie. Der Generator erzeugt durch ein Magnetfeld Wechselstrom.

Pumpspeicherkraftwerke (Reversibel)

Diese Anlagen rationalisieren die Produktion basierend auf der Nachfrage. Bei hoher Nachfrage wird Wasser aus dem oberen Becken zur Stromerzeugung genutzt. In Zeiten geringen Verbrauchs wird überschüssige Energie genutzt, um Wasser von unten nach oben zu pumpen.

• Reine Pumpspeicherkraftwerke: Erzeugen Strom nur aus dem zuvor hochgepumpten Wasser.
• Gemischte Pumpspeicherkraftwerke: Können Strom auch aus natürlichem Zufluss erzeugen.

Mini-Wasserkraftwerke

Diese haben eine Leistung zwischen 250 und 500 kW und dienen oft der Versorgung kleiner ländlicher Gemeinden.

Wasserkraft und Umwelt

Vorteile: Die Durchflussregelung kann Überschwemmungen verhindern und die Wasserversorgung der Bevölkerung sicherstellen.
Nachteile: Beeinträchtigung der lokalen Flora und Fauna durch den Bau von Staudämmen.

Thermische Kraftwerke

Diese erzeugen Elektrizität durch das Verbrennen von Kohle, Öl oder Erdgas. Die Energie wird meist über Dampfturbinen gewonnen.

Komponenten thermischer Kraftwerke

Wichtige Elemente sind: Brennstofflager, Kessel, Turbine, Kondensator, Kühlturm, Schornstein und elektrische Hauptausrüstung. Kraftwerke, die verschiedene Brennstoffe nutzen können, nennt man Mischkraftwerke.

• Kessel: Hier wird Wasser verdampft. Überhitzer entfernen kleine Tropfen, um trockenen Dampf zu erzeugen. Economizer nutzen Abwärme zur Vorwärmung des Speisewassers.
• Dampfturbinen: Wandeln die Energie des Dampfes in kinetische Energie der rotierenden Welle um (Hoch-, Mittel- und Niederdruckabschnitte).
• Kondensator: Kondensiert den Dampf zurück zu Wasser, um den Kreislauf zu schließen.
• Kühlturm: Kühlt das Wasser des Kondensators in offenen oder geschlossenen Kreisläufen.
• Schornstein: Erzeugt einen Unterdruck für die Verbrennungsgase und leitet diese in die Atmosphäre ab.

Funktionsweise thermischer Kraftwerke

Kohle wird in einer Mahlanlage zu Pulver verarbeitet und im Kessel verbrannt. Das Wasser in den Rohren erhitzt sich und wird zu Dampf. Dieser treibt die Turbine und den Generator an. Nach der Turbine wird der Dampf im Kondensator abgekühlt und als Wasser zurück in den Kessel geleitet.

Umweltaspekte thermischer Kraftwerke

Es entstehen CO₂-Emissionen, Luftverschmutzung und Lärmbelästigung durch Gebläse und mechanische Anlagen.

Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD)

Diese zeichnen sich durch eine Gasturbine und eine nachgeschaltete Dampfturbine aus. Die Abgase der Gasturbine werden genutzt, um im Rückgewinnungskessel Dampf für die zweite Turbine zu erzeugen. Dies erhöht den Wirkungsgrad erheblich.

Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW)

Hier wird Strom erzeugt und die dabei entstehende Abwärme direkt für Heizung oder industrielle Prozesse genutzt. Man unterscheidet:

• Gasturbinen: Für hohe Leistungen bis zu 10 MW.
• Dieselmotoren: Module von 70 kW bis 2 MW.

Kernkraftwerke

Kernkraftwerke sind thermische Kraftwerke, die Wärme durch die Spaltung von Uran- oder Plutoniumatomen gewinnen. Der erste Reaktor wurde 1942 von einem Team um Enrico Fermi gebaut.

Der Kernreaktor und seine Teile

Der Reaktor ermöglicht die Kontrolle der Kettenreaktion. Wichtige Bestandteile sind:

• Reaktordruckbehälter: Stahlbehälter, der den Kernbrennstoff enthält.
• Moderator: Bremst Neutronen ab, um die Kernspaltung aufrechterhalten zu können (z. B. Wasser oder Graphit).
• Steuerstäbe: Aus Bor oder Cadmium; sie regulieren die Anzahl der Kernspaltungen pro Zeiteinheit.
• Kühlmittel: Verhindert Überhitzung und transportiert die Wärme zum Turbinengenerator.

Typen von Kernkraftwerken

• Druckwasserreaktor (DWR): Nutzt angereichertes Uran als Brennstoff sowie Wasser als Kühlmittel und Moderator unter hohem Druck.
• Siedewasserreaktor (SWR): Das Wasser im Reaktor wird direkt zum Sieden gebracht, um die Turbine anzutreiben.

Anlagenkomponenten und Sicherheit

• Containment (Sicherheitsbehälter): Beherbergt den Reaktor und den Primärkreislauf.
• Turbinengebäude: Enthält die Turbogruppe und Kondensatoren.
• Brennstoffgebäude: Lagerung von neuem und gebrauchtem Brennstoff.
• Kontrollraum: Das neuronale Zentrum zur Steuerung der Anlage.

Kernenergie und Umwelt

Der Betrieb erfordert hochqualifiziertes Personal und eine ständige radiologische Überwachung der Umgebung. Anomalien müssen sofort identifiziert werden, um die Sicherheit zu gewährleisten.