Energieversorgung (1)

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Wärmekraftwerke ✔ | Energieverlust in Kraftwerken ✔ | Fernwärme ✔

Energieversorgung (1)

Industriegesellschaften benötigen sehr viel Energie in Form von elektrischem Strom. Ein großer Teil davon stammt aus Generatoren in Kraftwerken.


Typisches Kohlekraftwerk
Teil eines Kohlekraftwerks. Die großen, runden Türme mit den Dampfwolken, die aus ihnen kommen, sind Kühltürme.

Wärmekraftwerke

In den meisten Kraftwerken werden die Generatoren von Turbinen angetrieben, durch die Dampf mit hohem Druck strömt. Um diesen Dampf zu erzeugen, wird Wasser in einem Kessel erhitzt. Die Wärmeenergie stammt aus der Verbrennung von Kohle, Öl oder Erdgas oder aus einem Kernreaktor. Die Energie aus einem Kernkraftwerk wird durch Kernreaktionen bei der Spaltung von Uranatomen im Kernbrennstoff freigesetzt.


Schema eines Wärmekraftwerks
Schema eines Wärmekraftwerks

Teil einer Kraftwerksturbine
Teil einer Kraftwerksturbine

Sobald in einem Wärmekraftwerk der Dampf die Turbinen passiert hat, wird er abgekühlt und kondensiert (wieder in eine Flüssigkeit umgewandelt), so dass er in den Kessel zurückgeführt werden kann. Viele Kraftwerke haben riesige Kühltürme, in denen ein großer Luftdurchzug herrscht. Andere nutzen die kühlende Wirkung von nahegelegenem Meer- oder Flusswasser.

In einem Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk wird Erdgas als Brennstoff für eine Gasturbine verwendet. Die Welle des Motors dreht einen Generator. Die heißen Gase aus der Turbine werden verwendet, um Dampf zum Antrieb eines weiteren Generators zu erzeugen. Kraftwerke wie diese sind klein und produzieren weniger Energie als größere Typen. Sie können jedoch sehr schnell auf Leistung gebracht oder abgeschaltet werden. Sie sind also nützlich, wenn die Nachfrage nach Elektrizität variiert.

Energieverlust in Kraftwerken

Wärmekraftwerke verlieren mehr Energie als sie liefern. Das meiste geht als Wärmeenergie im Kühlwasser und in den Abgasen verloren. Zum Beispiel beträgt der Wirkungsgrad eines typischen Kohlekraftwerks nur etwa 35% - mit anderen Worten, nur etwa 35% der Energie in seinem Brennstoff wird in elektrische Energie umgewandelt. Das folgende Diagramm zeigt, was mit dem Rest passiert:


Energieverlust
Typisches Energieflussdiagramm für ein Wärmekraftwerk. Ein Diagramm wie dieses wird als Sankey-Diagramm bezeichnet. Die Dicke jedes Pfeils repräsentiert die Energiemenge.

Ingenieure versuchen, Kraftwerke so effizient wie möglich zu machen. Aber sobald die Energie in thermischer Form vorliegt, kann nicht alles zum Antrieb der Generatoren verwendet werden. Thermische Energie ist die Energie, die den sich zufällig bewegenden Teilchen innewohnt (wie Atome und Moleküle). Thermische Energie hat eine natürliche Tendenz, sich zu verteilen. Während sie sich ausbreitet, wird sie immer weniger nutzbar. Zum Beispiel kann die konzentrierte Energie einer heißen Flamme Dampf für eine Turbine zu erzeugen. Aber wenn die gleiche Menge an thermischer Energie sich in einem riesigen Tank voller Wasser verteilt, würde es sich nur um einige Grad erwärmen. Dieses lauwarme Wasser kann nicht als Energiequelle für eine Turbine verwendet werden.

Fernwärme

Die ungenutzte Wärmeenergie eines Kraftwerks muss nicht verschwendet werden. Mit langen Wasserleitungen kann man Häuser, Büros und Fabriken in der Umgebung heizen. Dies funktioniert am besten, wenn das Kraftwerk mit einem etwas niedrigeren Wirkungsgrad betrieben wird, so dass heißeres Wasser produziert wird.


Fragen

Richtig ist:
Erdöl, Erdgas, Kohle, Kernbrennstoff

2. In einem Wärmekraftwerk:

  1. Wofür nutzt man den Dampf?
  2. Welche Aufgabe haben die Kühltürme?

Richtig ist:

3. Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die Leistungsaufnahme und die Verluste in zwei Typen von Kraftwerken.

Kraftwerk
Kohle Kernkraft
Leistungsaufnahme durch Brennstoff in MW 5600 5600
Leistungsverluste in MW:
- in Reaktoren / Kesseln 600 200
- in Turbinen 2900 3800
- in Generatoren 40 40
Leistung in MW um das Kraftwerk zu betreiben 60 60
Elektrische Leistung in MW ? ?
  1. Wo wird am meisten Energie verschwendet?
  2. In welcher Form geht diese Energie verloren?
  3. Wie hoch ist die elektrische Leistung in jedem Kraftwerk? (die Tabelle zeigt alle Leistungsverluste in beiden Kraftwerken.)
  4. Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines jeden Kraftwerks?

Richtig ist:

  1. In den Turbinen
  2. Thermische Energie
  3. Kohle: 2000 MW, Kernkraft: 500 MW
  4. Kohle: 36 %, Kernkraft: 27 %

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