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Begriffsdefinitionen
Bruttostromerzeugung
Die Bruttostromerzeugung bezeichnet die im Kraftwerk an den Generatorklemmen erzeugte elektrische Arbeit.Nettostromerzeugung
Die Nettostromerzeugung berechnet sich aus der Bruttostromerzeugung abzüglich des Kraftwerkseigenverbrauchs von Neben- und Hilfsanlagen, wie z.B. Speisewasserpumpen.Stromabgabe
Als Stromabgabe wird die Nettostromerzeugung abzüglich der durch Transport und Umspannung bedingten Arbeitsverluste im Netz bezeichnet.Stromabnahme
Die Stromabnahme ist die von den Kunden des Netzbetreibers aus dem Netz entnommene Leistung, entspricht im wesentlichen der Stromabgabe abzüglich des Verbrauchs der Netzbetreiber-eigenen Einrichtungen (Betriebsverbrauch).Übersicht
Bei allen Arten der Stromerzeugung liefert die Thermodynamik die notwendigen theoretischen und praktischen Grundlagen zum Verständnis des Vorganges.
Mit Ausnahme der Systeme, die elektrische Energie direkt aus einer anderen Energieform gewinnen (Fotovoltaik, Galvanische Zelle, Brennstoffzelle, Thermoionischer Generator, Thermoelektrischer Generator, TPV-Generator, MHD-Generator etc.) wird die elektrische Energie weltweit zum überwiegenden Teil aus kinetischer Energie in Form von Rotationsenergie gewonnen.
Die dabei eingesetzte Maschine nennt man Generator. Meistens werden Generatoren durch Turbinen angetrieben, welche die Bewegung einer Strömung in die für einen Generator benötigte Rotation wandeln. Generatoren können zur Stromerzeugung auch durch Verbrennungsmotoren, Stirlingmotoren oder Muskelkraft angetrieben werden.
Die Stromerzeugung eines Landes wird heute noch größtenteils durch Elektrizitätsversorgungs-Unternehmen geleistet, die die so genannte allgemeine Elektrizitätsversorgung gemäß dem Energiewirtschaftsgesetz sicher zu stellen haben. Zukünftig wird die dezentrale Energieerzeugung in privaten Anlagen an Bedeutung gewinnen.
Wärmekraftwerke
Die am häufigsten und für die Grundlastabdeckung eingesetzten Wärmekraftwerke sind Dampfkraftwerke. Sie erzeugen hochgespannten Wasserdampf, der Dampfturbinen antreibt. Die Primärenergie für die Dampfkessel kann durch Verbrennung aus fossilen Energieträgern wie Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas sowie aus erneuerbaren Energieträgern wie Holz oder Biogas erzeugt werden. Weiterhin gibt es Gasturbinenkraftwerke, die mit einer Gasturbine direkt die Generatoren antreiben. Sie werden jedoch aufgrund ihres geringeren Wirkungsgrades nur zur Spitzenlastabdeckung verwendet. Auch Kernkraftwerke sind im Prinzip Wärmekraftwerke.
Kleinere Kraftwerke haben oft auch gasbetriebene Verbrennungsmotoren (BHKW) oder Dieselmotoren (Notstromaggregate, Stromaggregate für abgelegene Regionen oder Großveranstaltungen) als Antrieb. Insbesondere in Biogas-Kraftwerken werden gasbetriebene Motoren eingesetzt.
Blöcke von Wärmekraftwerken haben derzeit Leistungen bis ca. 1600 MW. Der Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken reicht von etwa 15% bis über 40%.
Starken Zuwachs erfahren derzeit dezentrale BHKW-Anlagen, die eine Wohnraumheizung mit einem Stirling-Motor zum Antrieb eines Stromgenerators kombinieren. Solche Anlagen können für beliebige Energieträger gefertigt werden.
Es gab Versuche, die Verbrennungsgase von Wärmekraftwerken zusätzlich mit einem magnetohydrodynamischen Generator (MHD-Generator) zur Stromerzeugung zu nutzen, um deren Wirkungsgrad zu verbessern.
Wasserkraftwerk und Windenergie
Sie nutzen die kinetische Energie von strömendem Wasser (Gezeiten, Flüsse) und Wind. Im Gegensatz zu den meisten Wärmekraftwerken ist ihre Primärenergie erneuerbar. Wasserkraftwerke können ebenfalls mit den größten Leistungen gebaut werden, wobei sich ihre tatsächliche Leistung nach den topographischen und hydrographischen Gegebenheiten ihres Standortes richtet. Windkraftwerke haben als eine einzelne Windenergieanlage eine Leistung von bis zu 5 MW, die technische Entwicklung ist aber noch nicht abgeschlossen. Es wird von ihnen erwartet, dass sie einen spürbaren Beitrag zur Verbesserung des Treibhauseffektes liefern.
Elektromagnetische Strahlung (Licht)
Bei Halbleitern wie Silizium bewirkt die Bestrahlung mit Licht die Bildung und Trennung von Ladungsträgern im Inneren und den Aufbau eines nutzbaren Spannungsgefälles über den fotoelektrischen Effekt. Unter Ausnutzung dieses physikalischen Effektes kann man mit Solarzellen Strom erzeugen. Der Vorteil dieser Art der Stromerzeugung ist die Wartungsarmut, da keinerlei bewegte Teile im Spiel sind. Der Nachteil sind die noch relativ hohen Kosten, der schlechte Wirkungsgrad und der Flächenbedarf der Solarzellen.
TPV-Generatoren (Thermo-Photovoltaik-Generatoren) erzeugen aus Wärme zunächst Strahlung (Infrarot, Glühlicht), die dann mittels Fotovoltaik (wie Solarzellen) zu Strom umgewandelt wird.
Zu photothermischen Generatoren siehe nächster Abschnitt
Sonnenkollektoren als Dampferzeuger
Sonnenkollektoren können nicht nur zur Gewinnung von Wärme aus dem einfallenden Sonnenlicht dienen, sondern es gibt auch mit Sonnenlicht betriebene Anlagen zur Erzeugung von Wasserdampf, mit dessen Hilfe Turbinen und Generatoren angetrieben werden. Als große Einheit gefertigt, sind solche photothermischen Generatoren wesentlich effizienter und preiswerter als die Photovoltaik.Siehe auch Solarstrom.
Geothermie
Bei diesem Verfahren wird die innerhalb der Erdkruste anstehende Wärme zum Antrieb von speziellen Turbinen im Organic Rankine Cycle verwendet. Das Verfahren nutzt erneuerbare Energien, weist jedoch aufgrund der geringen Temperaturdifferenz nur einen geringen Wirkungsgrad auf.
Kernenergie
Bei der Umsetzung der Kern- in elektrische Energie wird der Umstand ausgenutzt, dass die in den Atomkernen gebundene Energie bei sehr kleinen und sehr großen Atomkernen, also bei Atomkernen mit einer kleinen Ordnungszahl (wie z.B. beim Wasserstoff) oder einer großen Ordnungszahl (wie z.B. beim Uran) am größten ist, bei Atomkernen mit einer mittleren Ordnungszahl jedoch kleiner.
Die Gewinnung der Energie durch Spaltung großer Atomkerne zu kleineren nennt man Kernspaltung. Einen nach diesem Prinzip arbeitenden Reaktor nennt man allgemein Kernreaktor. Die eigentlich richtige Bezeichnung müsste in Abgrenzung zum Fusionsreaktor Fissions- oder Spaltungsreaktor lauten, doch sind diese Bezeichnungen nicht gebräuchlich.
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