Konventionelle Energiequellen und ihre Nutzung

Konventionelle Energiequellen

Energiebedarf

Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Alle Energieformen stammen direkt oder indirekt von der Sonne. Die Sonne ist die primäre und wichtigste Energiequelle. Die Menschen haben gelernt, auch andere Energiequellen zu nutzen, wie Windenergie (Bau von Windmühlen) oder die kinetische Energie des Wassers (Wassermühlen, bewegte einfache Maschinen etc.). Auch neue Energien (Photovoltaik, Erdwärme etc.) werden genutzt.

Energieformen

• Potenzielle Energie: Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage oder seines Zustands besitzt.
• Kinetische Energie: Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt.

Diese Energieformen können genutzt oder in andere Energieformen umgewandelt werden.

Energiequellen

• Erneuerbare Quellen: Jene, die sich in der Natur schnell regenerieren und aus denen kontinuierlich Energie gewonnen werden kann.
• Nicht erneuerbare Quellen: Jene, die auf der Erde in begrenzten Mengen vorkommen und sich bei Nutzung erschöpfen.
• Konventionelle Quellen: Jene, die in einem Land eine große Menge nutzbarer Energie erzeugen.
• Nicht-konventionelle Quellen: Jene, die aufgrund mangelnder technologischer Entwicklung oder hoher Gewinnungs- und Nutzungskosten keine große Menge nutzbarer Energie erzeugen.

Kohle

Kohle ist eine feste, schwarze Masse, die aus Pflanzenresten entsteht, die über lange Zeiträume unter Druck und Hitze begraben wurden und einen Verkohlungsprozess durchliefen.

Kohlearten

• Torf: Die jüngste Kohleart, die in sumpfigen Gebieten vorkommt. Enthält ca. 50 % Kohlenstoff. Heizwert: 4000 Kcal/Kg. Wird bei der Herstellung von Düngemitteln verwendet.
• Braunkohle: Bildet sich in den Sekundär- und Tertiärzeiten. Enthält ca. 70 % Kohlenstoff. Heizwert: 5000 Kcal/Kg. Wird zur Gewinnung trockener Produkte durch Destillation verwendet.
• Steinkohle: Die am häufigsten verwendete Kohleart. Bildete sich in der Primärzeit. Enthält zwischen 75 % und 90 % Kohlenstoff. Heizwert: 7000 Kcal/Kg. Wird zur Gewinnung von Kokskohle verwendet.
• Anthrazit: Die älteste Kohleart und wahrscheinlich metamorph. Enthält ca. 95 % Kohlenstoff. Heizwert: 8000 Kcal/Kg.

Kohleförderung

Beim Tagebau kann die gesamte Lagerstätte abgebaut werden, bis zu einer Tiefe von 100 m. Nachteil: Schwerwiegende Umweltprobleme und Auswirkungen auf die Landschaft.

Untertagebau ist die wichtigste Form der Gewinnung mineralischer Rohstoffe. Die Förderungen reichen bis zu 1200 m Tiefe. Zwei Methoden:

• Methode der Kammern und Pfeiler
• Strebbau-Methode

Kohleverbrennung und Umwelt

Bei der Verbrennung von Kohle werden mehrere Schadstoffe in die Atmosphäre freigesetzt. Diese Stoffe sind für sauren Regen und den Treibhauseffekt verantwortlich.

Erdöl

Erdöl ist ein natürliches, mineralisches, schwärzlich-braunes Öl, das aus Kohlenwasserstoffen (Kohlenstoff und Wasserstoff) besteht und seinen Ursprung in den Überresten von Wasserorganismen hat.

Ölfelder

Ölfelder liegen in der Regel zwischen Schichten aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Beim Bohren drückt der Gasdruck das Öl nach oben.

Raffination von Erdöl

Bei der fraktionierten Destillation wird das Rohöl kontinuierlich auf bis zu 400 °C erhitzt und durch einen Fraktionierungsturm geleitet. Verschiedene Produkte sind erhältlich:

• Rückstände: Gebildet aus festem Bitumen, Teer und Wachsen. Werden im Straßenbau verwendet.
• Schweröle: Kondensation bei 360 °C.
• Gasöl: Kondensation zwischen 250 und 350 °C. Heizwert von 11120 Kcal/Kg.
• Kerosin: Kondensation bei 280 °C.
• Benzin: Mischung aus flüssigen Kohlenwasserstoffen und einigen Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Kondensation zwischen 20 und 160 °C.
• Rohgas: Das Produkt, das nicht kondensiert.

Erdgas

• Nassgas: Vorkommen in Verbindung mit Ölfeldern.
• Trockengas: Vorkommen ohne Öl.

Erdgas hat einen Heizwert von 11500 Kcal/m³.

Kohlegas

Wird durch trockene Destillation von Kohle gewonnen. Es besteht aus Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid. Heizwert: 4200 Kcal/m³.

Flüssiggas (LPG)

• Propan: Heizwert von 24000 Kcal/m³.
• Butan: Heizwert von 28500 Kcal/m³.

Generatorgas

Wird durch unvollständige Verbrennung von Koks gewonnen. Heizwert: 1500 Kcal/m³.

Acetylen

Wird durch die Reaktion von Wasser mit Calciumcarbid gewonnen. Verwendet in Schweißbrennern.

Thermische Kraftwerke

Dies sind komplexe Anlagen, in denen thermische Energie genutzt wird, um Wasser zu erhitzen und in Dampf umzuwandeln. Dieser Dampf treibt eine Turbine an, die durch ihre Bewegung Strom erzeugt.

Komponenten eines thermischen Kraftwerks

Der Feeder (Zuführer) regelt die Brennstoffzufuhr proportional zum Verbrauch. Die Feuerung ist ein Gehäuse, in dem der Brennstoff verbrannt wird. Der Rauchgaskanal führt die Abgase nach außen.

Der Dampfkreislauf

Die Kessel enthalten Wasser, das in Dampf umgewandelt wird. Die primären Überhitzer verdampfen verbleibende flüssige Partikel beim Verlassen des Kessels. Die Anlagen nutzen die kinetische Energie des Hochdruckdampfes. Die Pumpe fördert das entnommene Wasser zu den Economizern (Vorwärmern).

Der Kühlkreislauf

Eine Pumpe fördert Wasser in den Kondensator. Wenn ausreichend Wasser vorhanden ist, wird das Wasser durch zentrale Kühltürme abgekühlt.

Stromerzeugung und -verteilung

Die mechanische Energie wird an einen Turboalternator übertragen, der sie in dreiphasigen Wechselstrom umwandelt. Ein Transformator erhöht die Spannung für das Netz. Der Strom wird über das Hochspannungsnetz transportiert.

Kernenergie

Kernenergie wird als Ergebnis von Kernreaktionen freigesetzt. Bei Kernspaltungsreaktionen zerfällt ein schwerer Atomkern in zwei leichtere Kerne. Bei Fusionsreaktionen verschmelzen zwei leichte Kerne zu einem schwereren Kern.

Nutzung der Kernenergie

Als Rohstoff wird Natururan verwendet, aber auch Uranoxid, angereichertes Uran oder Plutonium. Die Anlagen, die dieses Verfahren nutzen, werden Kernkraftwerke genannt.

Kernkraftwerke und Reaktortypen

Der Reaktor ist der Teil der Anlage, in dem die nuklearen Reaktionen stattfinden. Als Brennstoff werden in der Regel Uran und Plutonium verwendet. Der Reaktor verfügt über Steuerstäbe. Reaktortypen:

• Druckwasserreaktoren: Das unter Druck stehende Wasser zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf und überträgt Wärme an einen anderen Kreislauf.
• Siedewasserreaktoren: Der im Kühlkreislauf erzeugte Dampf wird direkt zur Turbine-Generator-Gruppe geleitet.

Sicherheit in Kernkraftwerken

Alphastrahlen bestehen aus Heliumkernen. Betastrahlung besteht aus Elektronen. Röntgenstrahlen sind elektromagnetischer Natur. Gammastrahlen sind durchdringender als Röntgenstrahlen. Neutronenstrahlung ist ebenfalls sehr durchdringend.

Sicherheitselemente:

• Die Konzentration von Uran-235 beträgt rund 2,5 %.
• Die Anlage ist robust konstruiert.
• Radioaktive Stoffe sind durch mehrere Barrieren geschützt.
• Das Kraftwerk ist mit Sicherheitssystemen ausgestattet.
• Regelmäßige Überprüfungen finden statt.
• Radioaktive Abfälle werden sicher gelagert und dokumentiert.

Umweltauswirkungen von Kernkraftwerken

• Auswirkungen auf die Landschaft
• Wärmeabgabe (thermische Belastung von Gewässern)
• Emission von Wasserdampf
• Lärmemissionen
• Radioaktive Emissionen

Wasserkraft

Wasserkraft ist die Nutzung der Energie fallender Gewässer in Flüssen. Dies geschieht in Wasserkraftwerken.

Merkmale eines Wasserkraftwerks

Komponenten:

• Staumauer:
  • Gewichtsstaumauern: Der Wasserdruck wird durch das Volumen des Betons ausgeglichen.
  • Bogenstaumauern: Verteilen den Wasserdruck auf die Widerlager.
  • Mehrfachbogenstaumauern: Bestehen aus mehreren Bögen, die durch Pfeiler geschlossen sind.
  • Pfeilerstaumauern: Reduzieren das benötigte Betonvolumen.
• Ableitungskanal: Ein Kanal, der Wasser aus dem Stausee ableitet.
• Druckkammer: Die Verbindung des Umgehungskanals zu den Druckrohrleitungen.
• Druckrohrleitungen: Verantwortlich für die Wasserführung zur Turbinenkammer. Sie werden aus rechteckigen Stahlplatten gebaut, die eine zylindrische Form annehmen. Asbestzementrohre werden für geringe Ströme verwendet. Stahlbeton wird für große Ströme und Höhenunterschiede bis zu 40 m verwendet.

Turbinen und Generatoren

Die Turbine ist verantwortlich für die Umwandlung der kinetischen Energie des Wassers in kinetische Rotationsenergie. Der Generator wandelt diese in Strom um.

• Pelton-Turbine: Hochdruckturbine. Sie hat Schaufeln, auf die ein Wasserstrahl fällt.
• Francis-Turbine: Mitteldruckturbine. Das Wasser wird über einen Verteiler auf das Laufrad geleitet.
• Kaplan-Turbine: Niederdruckturbine. Das Laufrad besteht aus einem verstellbaren Propeller.

• Offene Turbinenhäuser: Kommunizieren mit der Außenwelt und werden nur bei Fallhöhen unter 15 m eingesetzt.
• Geschlossene Turbinenkammern: Kommunizieren nicht mit der Außenwelt, sondern das Wasser, das aus der Leitung kommt, wird hineingezwungen.
• Ableitungskanal: Verantwortlich für die Rückführung des genutzten Wassers ins Flussbett.
• Transformatorenpark: Erhöht die Spannung von 20000 V auf 200000 V.