Elektrizitätserzeugung

Unter Stromerzeugung versteht man die Gewinnung von elektrischer Energie. Physikalisch gesehen ist dies immer eine Umwandlung anderer Energiearten aus verschiedenen Energiequellen (Primärenergie) in elektrische Energie. Der Großteil der Stromerzeugung geschieht im industriellen Maßstab in Kraftwerken. Stromerzeugung in Kleinanlagen außerhalb von Kraftwerken nennt man dezentrale Stromerzeugung.

Wichtigste Arten der Wandlung in elektrische Energie.

Stromerzeugung in Deutschland 1900-2005.

Voraussichtlicher Zuwachs des weltweiten Strombedarfes.

Primärenergie zur Stromerzeugung weltweit.

Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energiequellen, Werte für 2004 und 2005 geschätzt.

Bruttostromverbrauch in Deutschland, Werte für 2004 und 2005 geschätzt.

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 etwa 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 Grundlagen zum Verständnis des Vorganges. Ein sehr geringer Anteil der elektrischen Energie wird direkt aus einer anderen Energieform gewonnen (Photovoltaik, Galvanische Zelle, Brennstoffzelle, Thermoionischer Generator, Thermoelektrischer Generator, TPV-Generator, MHD-Generator etc.).

Zum überwiegenden Teil wird Strom in einem Generator aus kinetischer Energie in Form von Rotationsenergie gewonnen. Turbinen wandeln die Bewegung einer Gas- oder Flüssigkeitsströmung in die für einen Generator benötigte Rotation um. Generatoren können zur Stromerzeugung auch durch Verbrennungsmotoren, Stirlingmotoren oder Muskelkraft angetrieben werden.

Die Stromerzeugung eines Landes wird größtenteils durch Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) geleistet, die die so genannte allgemeine Elektrizitätsversorgung gemäß dem Energiewirtschaftsgesetz sicherstellen. Zukünftig könnte die Dezentrale Stromerzeugung in privaten Anlagen an Bedeutung gewinnen.

Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern (2008)^[1]

Energieträger	Strommenge in TWh	Anteil in %
Braunkohle	150,0	23,5%
Steinkohle	128,5	20,1%
Kernenergie	148,8	23,3%
Erdgas	83,0	13,0%
Mineralölprodukte	10,5	1,6%
übrige Energieträger	51,1	8,0%
- davon Biomasse	23,0	3,6%
- davon Photovoltaik	4,0	0,6%
- davon Müll (erneuerbarer Anteil)	5,0	0,8%
Windkraft	40,2	6,3%
Wasserkraft	27,0	4,2%
- davon regenerativ	20,8	3,3 %
Summe	639,1	100,0 %
regenerativer Anteil	93,0	14,6%

In den angegebenen Quellen wird der regenerative Anteil für 2008 mit 15,1% angegeben. Dieser Wert kommt zustande, wenn der Anteil der Bruttostromerzeugung der regenerativen Energien am Bruttostromverbrauch in Deutschland von 616,6 TWh bestimmt wird. Der Anteil an der gesamten Bruttostromerzeugung ist geringer, da der Stromexportsaldo von Deutschland 22,5 TWh betrug.

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 Energiequellen wie Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas sowie aus erneuerbaren Energiequellen 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. Die Kombination eines Gasturbinenkraftwerks mit einem Dampfprozess in sogenannten GuD-Kraftwerken erreicht hingegen Wirkungsgrade von über 58 Prozent. 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 etwa 1600 MW, der Wirkungsgrad reicht von etwa 15 bis über 40 Prozent. Generell gilt folgende Regel:

• Kleine Kraftwerke - niedriger Wirkungsgrad
• Große Kraftwerke - hoher Wirkungsgrad

Starken Zuwachs erfahren derzeit dezentrale BHKW-Anlagen, welche die Wärmeerzeugung mit einem Stirling-Motor zum Antrieb eines Stromgenerators kombinieren. Solche Anlagen können für beliebige Energieträger gefertigt werden.

Es gab wenig erfolgreiche Versuche, die Verbrennungsgase von Wärmekraftwerken zusätzlich mit einem magnetohydrodynamischen Generator (MHD-Generator) zur Stromerzeugung zu nutzen, um deren Wirkungsgrad zu verbessern.

Wind- und Wasserkraftwerke

Sie nutzen die potentielle Energie von Wasser (Gezeiten, Flüsse) und die kinetische Energie von Wind. Im Gegensatz zu den meisten Wärmekraftwerken ist ihre Primärenergie kostenlos. Wasserkraftwerke können mit sehr großen Leistungen gebaut werden, wobei sich ihre tatsächliche Leistung nach den topographischen und hydrographischen Gegebenheiten ihres Standortes richtet. Windkraftanlagen haben als einzelne Anlage eine Leistung von bis zu 5 MW, die technische Entwicklung ist aber noch nicht abgeschlossen.

Photovoltaik

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 photoelektrischen 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. Nachteile sind die relativ hohen Kosten und der große Flächenbedarf der Solarzellen aufgrund des relativ geringen Wirkungsgrades.

TPV-Generatoren (Thermo-Photovoltaik-Generatoren) erzeugen aus Wärme zunächst Strahlung (Infrarot, Glühlicht), die dann mittels photovoltaischer Zellen zu Strom umgewandelt wird.

Thermisches Solarkraftwerk

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 Sonnenwärmekraftwerke derzeit wesentlich effizienter und preiswerter als die Photovoltaik.

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 schweren Atomkernen wie Uran größer ist als bei Elementen mit einer mittelschweren Atomkernen wie Eisen (siehe Kernspaltung).

Die Gewinnung von Energie durch Spaltung schwerer Atomkerne zu kleineren nennt man Kernspaltung, die Anlagen nennt man Kernreaktor. Kernkraftwerke sind im Prinzip Wärmekraftwerke. Die bei der Kernspaltung entstehende Wärme erzeugt Wasserdampf, der mittels Dampfturbinen Generatoren antreibt. In Europa nutzen 18 Länder Kernkraftwerke zur Energiegewinnung.

Man kann auch Energie durch Verschmelzung von kleineren Kernen gewinnen (Kernfusion). Geeignete Fusionsreaktoren wird es wohl nicht vor 2050 geben.

Siehe auch

• Erneuerbare Energie
• Kraftwerksmanagement
• Energiewirtschaft
• Straße der Energie
• Liste der größten Stromproduzenten

Literatur

• Ernst Huenges: Energie aus der Tiefe: Geothermische Stromerzeugung. In: Physik in unserer Zeit. 35(6), 2004, ISSN 0031-9252, S. 282–286

Weblinks

• Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und fossilen Brennstoffen
• bine.info Portal zur Energieforschung: Thema Energieerzeugung
• Statistik: Stromproduktion in Deutschland nach Energieformen
• Daten, Statistiken, Infografiken Agenda 21 Treffpunkt: Stromerzeugung, - verteilung, -verbrauch

Quellen

1. ↑ Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2008 (S.22) (AG Energiebilanzen), Strom aus erneuerbaren Energien 2008 (BDEW)