Strom aus Kraftwerken und anderen Energieanlagen Generatoren

Strom aus Kraftwerken und anderen Energieanlagen
Generatoren in Kraftwerken wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um,
dadurch wird eine sichere Versorgung mit elektrischem Strom möglich
Von Prof. Dr. Mintken
Deutschland hat einen sehr hohen Bedarf an elektrischer Energie, aktuell werden im Inland
jährlich rund 1850 Petajoule (PJ) benötigt, das sind mehr als 500 Milliarden Kilowattstunden
(kWh). Genutzt wird diese elektrische Energie zu mehr als 40 % in der Industrie, weitere
knapp 30 % werden im Bereich Handel, Gewerbe und Verkehr, öffentliche Einrichtungen und
Landwirtschaft sowie knapp 30 % in Haushalten benötigt. Elektrische Energie wird durch
Umwandlung anderer Energieformen in Kraftwerken und sonstigen Energieanlagen
verfügbar. Die großen Kraftwerke werden von den Energieversorgungsunternehmen
betrieben. Übertragen und verteilt wird die elektrische Energie über Freileitungen und Kabel,
die zusammen mit den sonstigen erforderlichen technischen Anlagen ein Verbundnetz bilden.
Da in Kraftwerken sehr viel Wärme entsteht, kann diese neben der elektrischen Energie für
ein Fernwärmenetz oder für industrielle Prozesse genutzt werden.
Kraftwerke sind große technische Anlagen, die eigens zur Abgabe elektrischer Energie oder
als Heizkraftwerk errichtet wurden. Je nach Konstruktion wird meistens in den Kraftwerken
zunächst Kohle, Gas oder Öl verbrannt, um mit der dadurch entstehenden Wärme
Wasserdampf zu erzeugen. Der Wasserdampf treibt eine Dampfturbine an. Die von der
Turbine erzeugte Drehbewegung wird auf einen Generator übertragen. Der Generator wandelt
diese Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Es entsteht eine nutzbare elektrische
Spannung an den Ausgangsklemmen des Generators. Alternativ kann die nötige Wärme zur
Erzeugung des Wasserdampfs auch durch kontrollierte Uran-Kernspaltung in einem
Kernkraftwerk gewonnen werden. Ergänzend zu den Dampfkraftwerken werden andere
Kraftwerke mit Gasturbinen betrieben, in denen unter Luftzufuhr bei hohem Druck Gas
verbrannt wird, um mit dem gasförmigen Verbrennungsprodukt eine Turbine anzutreiben, die
wiederum die Drehbewegung für den Generator erzeugt. Ferner kann in Wasserkraftwerken
die Fließgeschwindigkeit des Wassers über Wasserturbinen zum Antrieb von Generatoren
genutzt werden.
Vorwiegend dezentral werden Windenergieanlagen errichtet, in denen die Windkraft über
Rotoren zum Antrieb von Generatoren dient. Ebenfalls vorwiegend dezentral werden
Biogasanlagen betrieben, in denen aus Energiepflanzen oder aus Bio-Abfall Gas erzeugt wird,
das in einem Motor oder in einer Turbine als Kraftstoff genutzt wird. Über die dabei
entstehende Drehbewegung wird ein Generator angetrieben, der die elektrische Spannung
bereitstellt. Ohne Generator arbeiten Photovoltaikanlagen, in denen die Sonneneinstrahlung
über geeignete Module direkt zum Aufbau elektrischer Spannung genutzt wird.
Generatoren nutzen das elektrodynamische Prinzip
Generatoren sind Maschinen, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Die mechanische Energie wird dem Generator in Form der Drehbewegung der Welle der
Antriebsmaschine zugeführt. Sowohl im drehbaren Teil als auch im feststehenden Teil des
Generators sind elektrisch wirksame Teile montiert. Der drehbare Teil des Generators wird als
Läufer oder Rotor, der ruhende Teil als Ständer oder Stator bezeichnet.
Für die Erzeugung der elektrischen Spannung wird der Zusammenhang zwischen Elektrizität
und Magnetismus genutzt. Wird ein elektrisch leitfähiges Teil wie im einfachsten Fall ein
Kupferdraht in einem konstanten Magnetfeld bewegt, dann entsteht zwischen den Enden des
bewegten leitfähigen Teils eine elektrische Spannung. Dieser Effekt wird als
elektromagnetische Induktion bezeichnet. Die Induktion tritt ebenfalls auf, wenn sich das
Magnetfeld bewegt und der elektrische Leiter in Ruhe bleibt, entscheidend ist jeweils die in
dem Leiter entstehende Änderung des magnetischen Flusses. Das Magnetfeld wird im
einfachsten Fall durch einen Dauermagneten gebildet, wie in einem hergebrachten
Fahrraddynamo. In größeren technischen Anwendungen wird das Magnetfeld durch einen
Elektromagneten entweder im Rotor oder im Stator erzeugt. Die entstehende Spannung kann
am Generator abgegriffen und extern genutzt werden, beim Fahrraddynamo für die
Beleuchtung. Generatoren in Kraftwerken und in Windenergieanlagen erzeugen das nötige
Magnetfeld elektromagnetisch, vorwiegend im Rotor.
Der als Rotor ausgeführte Elektromagnet besteht im Grundsatz aus einem Weicheisenkern mit
einer Anzahl von Kupferdrahtwindungen auf einer Welle, die von einer Turbine oder einem
Motor angetrieben wird. Der Stator umschließt den Rotor ringförmig. Er besteht neben den
Befestigungselementen und der Kühlung aus einer in Nuten eingelegten Anzahl von
Windungen eines Kupferdrahtes. In der Anlaufphase eines Generators kann bei kleinen
Generatoren der im Weicheisenkern des Rotors vorhandene Restmagnetismus genutzt
werden, um als Folge der Rotordrehung am Stator eine geringe Spannung zu erzeugen, die für
einen Stromfluss durch die Rotorwindungen genutzt wird und dort das Magnetfeld verstärkt.
Das infolge des ansteigenden Stromflusses stärker werdende Magnetfeld bewirkt eine höhere
Spannung am Stator, die wiederum einen noch höheren Stromfluss in den zugeschalteten
Rotorwindungen und damit ein noch stärkeres Magnetfeld erzeugt. Dieser Effekt wird als
„Selbsterregung“ bezeichnet. Ist der Höchstwert für das Magnetfeld erreicht, wird dieses
durch die Rotordrehung aufrechterhalten, zugleich steht am Stator die extern nutzbare
Spannung an. Bei konstanter Drehzahl des Rotors steht im Ergebnis eine verlässliche
Spannung zur Verfügung. Diese Wirkungsweise eines Generators wird als
elektrodynamisches Prinzip bezeichnet, das bereits im 19. Jahrhundert von verschiedenen
Forschern erkannt wurde. In Deutschland wurde das elektrodynamische Prinzip 1867
erstmalig von dem Forscher Werner von Siemens beschrieben. In den großen Generatoren in
Kraftwerken erfolgt allerdings keine „Selbsterregung“, sondern es ist zur Erregung des
nötigen Magnetfeldes die „Fremderregung“ durch eine externe Stromquelle als
Erregermaschine üblich.
Anteile der Energieträger am Jahresbruttovolumen der elektrischen Energie
Elektrische Energie wird in Deutschland zu gut 95 % über Generatoren bereitgestellt,
Photovoltaik-Anlagen nehmen lediglich einen Anteil von weniger als 5 % am Bruttovolumen
der elektrischen Energie ein. Aufgeteilt nach Energieträgern, die jeweils am Anfang der
notwendigen Umwandlungsprozesse zur elektrischen Energie stehen, zeigt sich für 2012, dass
Braunkohle und Steinkohle mit zusammen rund 45 % in Deutschland dominieren, gefolgt von
der Kernenergie mit gut 16 %. Auf Gas und Öl entfallen zusammen knapp 13 %. Windkraft
ist mit gut 7 % beteiligt, Biomasse mit knapp 6 % und Wasserkraft mit gut 4 %,
Sonnenstrahlung knapp 5 %, sonstige Energieträger wie Müll steuern den Rest bei.
Literatur- und Quellenhinweise
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie: Energie in Deutschland. Berlin 2013
www.profdrmintken.de
Autor:
Prof. Dr. Karl-Heinz Mintken VDI
Dipl.-Ing. Dipl.-Päd.
Freier Wissenschaftler
Cloppenburger Str. 458
26133 Oldenburg