Kraftwerkstypen und Energieerzeugung: Technologie & Umwelt

Kraftwerkstypen und Energieerzeugung

Grundlast-, Spitzenlast- und Reservekraftwerke

• Grundlastkraftwerke: Sollen kontinuierlich Strom liefern. In der Regel handelt es sich um Kernkraftwerke, große thermische Kraftwerke und Wasserkraftwerke mit hoher Leistungsdichte.
• Spitzenlastkraftwerke: Sind darauf ausgelegt, den Energiebedarf zu Spitzenzeiten zu decken.
• Reservekraftwerke: Haben das Ziel, die Produktion von Grundlastkraftwerken ganz oder teilweise zu ersetzen oder bei Reparaturen einzuspringen.
• Pumpspeicherkraftwerke: Nutzen die Energie von Wasserkraftwerken, um in Stunden geringen Energiebedarfs Wasser in obere Speicherbecken zu pumpen. In Spitzenzeiten wird diese Energie dann zur Netzversorgung genutzt.

Wasserkraftwerke: Funktionsweise und Aufbau

Wasserkraftwerke basieren auf der Nutzung der potenziellen Energie von Wasser, um Flüsse in Elektrizität umzuwandeln. Ein Damm staut das Wasser in einem Reservoir und bewirkt einen Anstieg des Wasserspiegels. Das Wasser wird durch ein Rohr, das mit Gittern und Rechen ausgestattet ist, um es vor Schmutz und Treibgut zu schützen, zu den Turbinen geleitet. Die potenzielle Energie des gestauten Wassers wird in kinetische Energie umgewandelt, sobald die Schleusen geöffnet werden. Diese kinetische Energie versetzt die Turbine in Rotation, bevor das Wasser wieder in den Fluss zurückgeleitet wird. Der Rotor des Generators ist mit der Turbinenwelle verbunden. Ein Erregerfeld im Generator erzeugt in den Spulen eine Wechselspannung mittlerer und hoher Intensität. Transformatoren erhöhen die Spannung, und der Strom wird über das Verteilungsnetz oder direkt in das Stromnetz eingespeist.

Blockheizkraftwerke (BHKW)

Blockheizkraftwerke (BHKW): Produzieren Strom unter Verwendung eines Brennstoffs und nutzen die dabei entstehende Abwärme zur Erzeugung von Warmwasser für Heizung, Dampf oder erhitzte Flüssigkeiten, je nach Bedarf des Standorts.

Thermische Kraftwerke: Kohle, Öl und Gas

Thermische Kraftwerke erzeugen Strom aus thermischer Energie, die durch die Verbrennung von Kohle, Heizöl oder Erdgas gewonnen wird.

Funktionsweise eines Kohlekraftwerks

Betrieb mit Kohle: Vom Kohlelager wird die Kohle über ein Förderband zu einer Mühle transportiert und dort zerkleinert. Der Kohlenstaub wird mit vorgewärmter Luft gemischt und in die Brenner eingespritzt. Die bei der Verbrennung entstehende Hitze erhitzt das Wasser in Rohren, wodurch Dampf erzeugt wird. Dieser Dampf wird überhitzt und von Feuchtigkeit befreit, bevor er in die Hochdruckturbine geleitet wird, gefolgt von Mittel- und Niederdruckturbinen. Der Dampf expandiert in den verschiedenen Stufen der Turbine und überträgt seine kinetische Energie auf den Rotor der Turbine, der wiederum den Rotor des Generators antreibt. Der erzeugte Strom wird über Transformatoren und Verteilungsleitungen zu den Verbrauchern geleitet.

Umweltbelastung durch thermische Kraftwerke

• Luftverschmutzung: Die Verwendung fossiler Brennstoffe führt zur Emission von Kohlendioxid und Wasserdampf, was den Treibhauseffekt verstärkt. Schlechte Verbrennung und Verunreinigungen im Brennstoff verursachen die Emission von Schwefel- und Stickoxiden, die Hauptursachen für sauren Regen sind.
• Wasserverschmutzung: Die thermische Belastung wird durch den Einsatz von Kühltürmen minimiert. Zudem wird Wasser in der Anlage zur Reinigung verschiedener Elemente verwendet.
• Lärmbelästigung: Der Lärm von Ventilatoren, Luftzufuhrsystemen etc. muss minimiert werden, um Umweltauswirkungen zu vermeiden.

Kernkraftwerke: Aufbau und Funktionsweise

Ein Kernreaktor ist die wichtigste Komponente eines Kernkraftwerks und bildet dessen Herzstück. Im Reaktor wird eine dauerhafte und kontrollierte Kettenreaktion aufrechterhalten, um Wärme zu gewinnen. Diese Wärme wird genutzt, um eine Dampfturbine anzutreiben, die wiederum den elektrischen Generator in Bewegung setzt.

Der Kernreaktor und seine Komponenten

• Bestandteile des Reaktors: Ein Druckbehälter aus Stahl mit einer Neutronenquelle und Spaltmaterialien.
• Moderator: Hat die Aufgabe, die Geschwindigkeit der bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen zu reduzieren, um deren Wechselwirkung mit anderen spaltbaren Atomen zu gewährleisten und die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Als Moderatoren werden Wasser, Schwerwasser und Graphit eingesetzt.
• Steuerstäbe: Bestehen aus Materialien, die Neutronen absorbieren. Ihre Aufgabe ist es, die Anzahl der Kernspaltungen pro Zeiteinheit im Reaktor zu regeln. Werden die Steuerstäbe vollständig eingeführt, stoppt die Kettenreaktion.
• Kühlmittel: Hat die Funktion, den Reaktor zu kühlen, eine Überhitzung zu vermeiden und die Wärme – direkt oder über einen Sekundärkreislauf – zur Generator-Turbinen-Gruppe zu transportieren, bevor es in den Reaktor zurückkehrt und den Zyklus wiederholt. Dieser Kreislauf wird als Primärkühlkreislauf des Reaktors bezeichnet.

Reaktortypen im Detail

• Druckwasserreaktor (PWR): Verwendet angereichertes Uran als Brennstoff sowie Wasser als Kühlmittel und Moderator. Die im Kern erzeugte Wärme wird durch den primären Kühlkreislauf in den Sekundärkreislauf übertragen, um Dampf zu erzeugen.
• Siedewasserreaktor (BWR): Nutzt angereichertes Uran und Wasser, aber im Gegensatz zu Druckwasserreaktoren nur einen Kreislauf. Das Kühlwasser im Reaktor wird direkt zu Dampf, wenn der Druck sinkt und das Wasser zu kochen beginnt. Daher ist der Primärkreislauf einfacher.

Gesamtbetrieb eines Kernkraftwerks

Die im Reaktorkern erzeugte Energie wird durch das Kühlwasser extrahiert und transportiert. Dieses Wasser zirkuliert in einem geschlossenen Hochdruckkreislauf und gibt seine Wärme im Dampferzeuger an den Sekundärkreislauf ab. Der erzeugte Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator gekoppelt ist. Der produzierte Strom wird nach Spannungserhöhung durch Transformatoren in das Stromnetz eingespeist.

Umspannwerke: Verteilung elektrischer Energie

Umspannwerke: Sind Anlagen zur Verarbeitung und/oder Verteilung von Energie, die eine Verbindung zwischen zwei oder mehr Leitungen herstellen.

• Typen: Primäre Transformatoren für die Netzkopplung, sekundäre Transformatoren für die Einspeisung oder tertiäre Transformatoren für die Verteilung.