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Stromgewinnung

Biomasse-Kraftwerke

Biomasse-Kraftwerke verbrauchen, wie der Name sagt organische nachwachsende Biomasse, die sich aus pflanzlichen und tierischen Abfällen basiert. Die Energiegewinnung erfolgt in Blockkraftheizwerken (BHKWs). Das Produkt ist thermische und mechanische Energie. Die thermische Energie kann direkt zu Heizungs Zwecken verwendet werden und die mechanische zum Antreiben eines Generators, wer letztendlich uns den Strom liefert.

Der elektrische Wirkungsgrad eines BHKW mit Gasmotor beträgt zwischen 30 und 40 Prozent, hinzu der thermische Wirkungsgrad zwischen 50 und 60 Prozent. Das Ganze ist auch ein CO2 Kreislauf. Pflanzen werden verbrannt, es entsteht CO2, welcher dann von neuen Pflanzen aufgenommen wird.

BHKWs werden in der Regel mit Biogas und einem Gasmotor angetrieben. Maissilage, Rindergülle, Bioabfällen, Futterrüben oder Grassilage unterliegen einem Gärungsprozess und es entstehen Gase. Ganz wichtig ist der Anteil von Methan im Biogas, denn Methan kann bestens verbrannt werden. Biogas enthält im Schritt 45 bis 70 Prozent Methan. Erdgas enthält zwar ganze 80 Prozent, doch Biogas ist CO2-neutral.

Geothermie-Kraftwerke

Unter unserer Erde entsteht auch natürliche Wärme. Diese warmen Stellen tief im Boden nennt man Wärme-Reservoirs, die man mit einer Injektions- und Produktionsbohrung erreichen kann. Es gibt insgesamt drei Typen von Geothermiekraftwerken, um die Erdwärme zur Stromproduktion auszunutzen. Alle Typen treiben am Ende mit Wasserdampf eine Turbine und somit einen Generator an.

Die erste Variante wäre Trockendampf. Durch Wasserleitungen fließt das Wasser tief unter die Erde. Wenn das Wasser auf heiße Gesteinsschichten auftrifft, entsteht Dampf mit Temperatur von 150°C und dieser steigt nach oben zu der damit angetriebenen Turbine.

Bei der zweiten Variante, der sogenannte Entspannungsdampf-Kraftwerk, wurde die erste variante weiterentwickelt. Der Dampf ist unter höherem Druck (, und somit nach dem Gesetz von Newton heißer,) und dank den mehreren ausgeklügelten Wasserkreislaufsystemen kann mehr Dampf produziert werden.

Binär-Kreislauf-Kraftwerk ist nochmal ein weiterentwickeltes System zu der zweiten Variante. Das Wasser wird bereits mit Temperaturen von 57°C bis 120°C mit Druck von ca. 100 Litern pro Sekunde unter die Erde gepumpt. Zu dem Wasser wird ein Stoff mit niedrigem Siedepunkt beigemischt. Zum Einsatz kommt beispielsweise Butan, Pentan oder Iso-Butan.

Die Effizienz und der Wirkungsgrad des Kraftwerks hängen immer von der Temperatur des Wassers.

Ein Geothermiekraftwerk ist sehr umweltfreundlich, da es keinen Kohlenstoffdioxid gibt und die neuen Methoden verhindern, dass die Geothermie-Quellen sich abkühlen. Das heißt es gibt ständig Strom für eine sehr lange Zeit. Man muss nur aufpassen, da das kilometerlange Bohren größere Schäden dem Grundwasser, Gas-, Anhydrit- oder Gipsvorkommen hinzufügen kann.

Quelle: Geothermiekraftwerk: Vor- und Nachteile - Verivox

Windkraft

Die Rotorblätter von Windrädern sind in ihre Ausrichtung und Form aerodynamisch an die Stärke und Richtung des Windes angepasst. Ähnlich wie Flugzeuge funktionieren auf Windkraftanlagen nach dem Auftriebsprinzip: der aus dem Aufwind entstehende Drehmoment wird zu einer Rotationsbewegung, welche Energie erzeugt. Ein Generator wandelt diese Energie in Strom um. Da die Windstärke selbstverständlich nicht immer gleich ist, lassen sich die Rotorblätter verstellen, wobei Gondel und Rotor flexibel sind. Der Stromertrag steigt mit höhe des Windrads und der Windgeschwindigkeit.

Atomkraftwerk

Ein Atomkraftwerk nutzt kontrollierte Kernspaltung und die dabei entstehende Wärme um erst ein Kühlmittel zu verdampfen und mit diesem Dampf in einer Dampfturbine Strom zu erzeugen. Die Kernspaltung findet in sog. Kernbrennstoffen statt, die meist mit Uranoxid- seltener mit Plutoniumoxid-Pellets gefüllt sind. Brennstäbe werden immer zu Brennelementen zusammengefasst. Werden die Brennelemente nicht korrekt gekühlt kann es zu einem Kernschmelzunfall kommen. Wenn ein Kernbrennstab aufgebraucht ist, bleibt stark radioaktiver Abfall zurück.

Das Herzstück eines Atomkraftwerks ist der Kernreaktor. Im Kernreaktor findet man die Brenn- und Steuerstäbe und Wasser. Die Brennstäbe sind aus radioaktivem Uran und die Steuerstäbe aus Graphit. Während der Kernspaltung des Urans entsteht eine Menge an Wärme. Um die Kettenreaktion der Spaltung zu kontrollieren, werden die Steuerstäbe zwischen den Brennstäben gestellt. Das Wasser dient zu vielen Zwecken. Erstens, um die Kettenreaktion zu verlangsamen. Zweitens, das Wasser im Reaktor als Leiter der Wärmeenergie (der Reaktor ist zusätzlich vom Kühlwasser umgeben). Im Reaktor herrscht hoher Druck und das Wasser erreicht Temperaturen von bis zu 400°C. Das Wasser im Reaktor heizt einen weiteren Wasserkreislauf, welcher eine Turbine und im Endeffekt einen Stromgenerator antreibt. Atomkraftwerk läuft auch nach einem alten Prinzip. Aus Wärme wird mechanische Energie und schließlich gibt’s Strom.

Vorteilhaft ist der Verzicht von Treibgasen, denn es findet keine Verbrennung statt. Zusätzlich erzeugt ein Atomkraftwerk ununterbrochen viel und günstig Strom. Der Wirkungsgrad kann jedoch nicht über 33 Prozent liegen. Problematisch wird es nur auf die Hinsicht der sehr langen Zukunft. Die Endlagerung von den verbrauchten Brennstäben, die noch weitere 1000 Jahre strahlen werden (bis ihre 10-malige Halbwertszeit abgelaufen ist), bleibt bis heute ungeklärt.

Kernfusion

Die Kernfusion setzt, wie die Sonne, bei der Wasserstoff zu Helium verschmolzen wird, durch das Verschmelzen von leichten zu schweren Atomkernen Energie frei. Diese Art der Energiegewinnung ist besonders effektiv, da nur ein Gramm Wasserstoff die gleiche Energie freisetzt wie die Verbrennung von elf Tonnen Kohle oder acht Tonnen Erdöl. Für den Betrieb eines Fusionskraftwerkes wird der Rohstoff Lithium benötigt, welcher auf der Erde in fast unbegrenzter Menge vorhanden ist. Im Gegensatz zum Kernkraftwerk erzeugt das Fusionskraftwerk keine radioaktiven Abfälle, da nur der Reaktoreninnenraum radioaktiv ist. Da die Radioaktivität in diesem allerdings innerhalb von 100 Jahren abklingt, sind keine geologischen Tiefenlager nötig.

Die Wärme und das Licht der Sonne, welches wir täglich genießen, entstehen durch die Kernfusion. Dabei verschmelzen Protium und Protium (Wasserstoff nur mit einem Proton) zu Deuterium (Wasserstoff mit einem zusätzlichen Neutron) und Deuterium und ein Protium zu Helium. Wenn zwei Helium Kerne Verschmelzen entstehen wieder zwei Wasserstoffkerne und ein Heliumkern. Bei jedem Vorgang einer Verschmelzung entsteht Energie.

Um diese Technik auch auf der Erde für uns alle zu nutzen, wurde eine neue Art von Reaktoren namens Tokamak entwickelt. Es hat eine Form eines Donuts. In diesem Donat wird mithilfe Magnetfelder heißes Plasma gehalten. Genau in diesem heißen Plasma findet Kernverschmelzung statt. Doch der Strom wird auf die altmodische Weise erzeugt. Die Wände des Tokamaks werden ebenfalls durch das Plasma in der Mitte des Raums heiß. Diese Wärme heizt das Wasser an und der Wasserdampf treibt eine Turbine mit einem Generator an.

Theoretisch gesehen ist die Kernfusion die sauberste Art der Stromerzeugung. Keine Treibgase, (fast) keine radioaktive Strahlung. Doch um so sauber zu bleiben, muss der Wasserstoff und die Energie, um den Tokamak überhaupt am Anfang anzutreiben, auch grün und ökologisch beschaffen werden. Für die Entwicklung eines effizienten Tokamaks ist es auch noch ein großer Schritt, dass Tokamak mehr Strom erzeugt als es verbraucht.

Erdgaskraftwerk

Bei Erdgaskraftwerken wird zunächst Erdgas in Brennkammern entzündet und

die Hitze in der Brennkammer als solche wird dann genutzt um

Wasser zu erhitzen. Der so entstandene Wasserdampf wird dann wie bei einem

üblichen Kohlekraftwerk durch eine Turbine geführt, welche dann Strom

erzeugt.

Kohlekraftwerk

In einem Kohlekraftwerk wird Kohle im Dampferzeuger angezündet, durch diese Hitze wird Wasser zum Sieden gebracht und der dabei entstehende Wasserdampf treibt eine Turbine an, die mechanische Energie in elektrische umwandelt.

(Schaubild aus: Kohlekraftwerk | LEIFIphysik)

Müllverbrennungsanlage

Leider kann nicht der gesamte Müll getrennt und weiterverwendet werden. Dieser Müll muss irgendwohin und sinnloses Ablagern ist nicht die richtige Option. Dieser Müll muss also verbrannt werden. Wenn etwas verbrannt wird, entsteht Wärme und wie wir es bereits wissen ist die Wärme zum Heizen und Stromproduktion gut. Solche Müllverbrennungsanlagen (MVG) können jedoch nur an Standorten mit vielen Haushalten und viel Industrie mit viel Müll erbaut werden, damit die Anlage überhaupt genug zum „Futtern“ bekommt. Meistens wird zu dem Müll noch bisschen Kohle hinzugefügt.

Müllverbrennung zählt zu den Arten der erneuerbaren Energie, obwohl es natürlich Treibgase entstehen und man unbedingt eine Rauchreinigungsanlage benötigt. Doch der Müll muss mit Sinn weg.

Clean Coal

Die Clean Coal Technologie, oder auch CCS (CO2 Capture and Storage) genannt, gilt als Brückentechnologie. Damit wird die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid an Kraftwerken beziehungsweise Industrieanlagen und die anschließende Speicherung in tief liegenden geologischen Gesteinsschichten (1000 bis 4000 Metern Tiefe) bezeichnet. Mögliche Speicherorte hierfür sind Orte, an denen es ehemals Öl- oder Gaslagerstätten gab. Auch Gesteinsschichten, die Salzwasser führen, kommen in Frage. Die Speicherorte des Kohlenstoffdioxids befinden sich unter einer abschirmenden geologischen Schicht, die das CO2 nicht durchlässt. Länder wie die Vereinigten Staaten oder Kanada gelten unter anderem als Vorreiter.

So könnten theoretisch anfallende CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung in Kraftwerken deutlich reduziert werden. Außerdem könnte CCS auch in CO2-intensiven Wirtschaftszweigen-beispielsweise der Stahl-, Zement- sowie der Aluminiumproduktion oder auch in der Petrochemie Verwendung finden. Prinzipiell ließen sich so allein in Deutschland pro Jahr etwa 80 Millionen Tonnen an CO2-Emissionen reduzieren. Ferner besteht das Potenzial, dass diese Technologie 14% der global bis zum Jahr 2050 notwendigen Ausstoß-Reduktion erbringt. Wichtig ist jedoch, wenn CCS zur Reduktion der Emissionen benutzt wird, dass sich parallel ebenfalls die Wirkungsgrade der Kohlekraftwerke verbessern.

Auch in der Erdgasgewinnung könnte die CCS-Technologie von Bedeutung sein. Bei CO2-reichen Erdgasfeldern oder Flüssigerdgas-Projekten (LNG: liquefied natural gas) kann so im Erdgas enthaltenes CO2 abgetrennt werden.

Solarthermiekraftwerk

Solarthermische Kraftwerke werden vorwiegend in Regionen betrieben, in denen die Sonne oft und intensiv scheint, da diese Art von Kraftwerken nur dann wirtschaftlich betrieben werden können.

Das Grundprinzip der Stromerzeugung in solarthermischen Anlagen beruht darauf, dass über die Sonnenstrahlung zunächst ein Wärmeträgermedium erhitzt wird. Dieses Medium wird dann dazu genutzt, über ein Wärmetauschersystem Wasser zu erhitzen und zu verdampfen. Dies geschieht mittels der Dampfstromes Turbinen an die Generatoren zur Stromerzeugung angeschlossen sind.

So werden beispielsweise in Parabolrinnenkraftwerken die Sonnenstrahlen in Parabolrinnen aufgefangen und im Brennpunkt der Rinnen gebündelt. Durch den Brennpunkt der Parabolrinnen verläuft eine Rohrleitung, in der das Wärmeträgermedium fließt und dabei stark erhitzt wird, bevor es zum Wärmetauschsystem geleitet wird.

Im Allgemeinen ist der große Vorteil des "Umweges" bei der Stromerzeugung im Rahmen der Solarthermie gegenüber der Photovoltaik, dass die Systeme zumeist technisch weniger anspruchsvoll und somit vergleichsweise deutlich günstiger zu produzieren sind.

Wasserkraftanlagen

Auch aus fließendem Wasser kann eigener Strom gewonnen werden. Das Prinzip der so genannten Klein- oder Mini-Wasserkraftwerken ist das gleiche wie bei vielen großen Modellen der Energieversorger. Man nutzt dabei die Energie des fließenden Wassers aus, um Rotoren in Bewegung zu setzen, die wiederum durch die Drehkraft Strom erzeugen. Die Bewegungsenergie des Wassers bewegt die Schaufelräder in den Turbinen. Diese betreiben Generatoren die mechanische Energie in Strom umwandeln. Um die Kraft des Wassers zu verstärken, wird das Wasser meist aufgestaut. Je höher die Fallhöhe ist, desto größer ist die Kraft des Wassers, das zur Energienutzung bereitsteht. Daher verbinden viele mit der Wasserkraft große Stauseen.

Brennstoffzellen

Die Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, in der der Brennstoff wie z. B. Wasserstoff mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff reagiert. Die dabei entstehende Reaktionsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.Neben Strom wird bei dieser Reaktion auch Wärme freigesetzt,was die Brennstoffzelle nicht zum Energiespeicher sondern zum Umwandler macht.

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Herkömmliche Stromnetze arbeiten bei der Stromübertragung mit der Wechselstromtechnik (AC-Technologie). Bei einem rapide steigenden Strombedarf und einer neuen Netzstruktur, bei welcher zum Beispiel Strom aus entlegenen Offshore-Gebieten (in Deutschland beispielsweise von Norden nach Süden) oder sonnenreichen südlichen Ländern über weite Entfernungen übertragen müssen, reicht dieses aber nicht mehr aus. Da der Wechselstrom (Alternating Current, AC) ständig seine Richtung ändert, geht bei großen Entfernungen zu viel Energie verloren.

Eine potenzielle Lösung ist hierbei die Technologie der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Diese macht nun eine vergleichsweise verlustarme Stromübertragung über große Entfernungen möglich. Dabei können mehrere GW als Frei-, Erd- oder Hochspannungs-Seekabel übertragen werden. Bei einer 1000 km langen Leitung (mit üblichem Leitungsdurchmesser) gehen nur 3% der Leistung verloren. Im Vergleich: Bei der normalen Hochspannungs-Wechselstromleitung betragen die Verluste etwa 10%.

Ein weiterer Vorteil ist die gute Regelbarkeit: Da bei HGÜ-Leitungen-da sie ja Gleichstromleitungen sind- der Strom nur in eine Richtung fließt, macht diese Technologie eine bessere Steuerung der Stromflüsse in einem Energiesystem möglich.

Erwarteter Strombedarf an EE-Energien

-Der Bruttostromverbrauch in Deutschland liegt im Jahr 2020 bei rund 544 Terawattstunden.
-Haushaltsgröße mit elektrischer Warmwasserbereitung.
-1 Person 2.300 kWh/Jahr 2.500 kWh/Jahr
-2 Personen 3.000 kWh/Jahr 3.500 kWh/Jahr
-3 Personen 3.500 kWh/Jahr 4.500 kWh/Jahr
-4 Personen 4.000 kWh/Jahr 5.000 kWh/Jahr
-5 Personen 5.000 kWh/Jahr 6.100 kWh/Jahr
-Zusätzlich mit der Industrie bei ca. 600 TWh
-davon erneuerbare Energien waren ca. 250TWh
-Um diese Energie also komplett durch erneuerbare Energie zu ersetzen, wären also zusätzlich ca. 350 TWh notwendig.
-der Stromverbrauch in Häusern (um diese zu heizen usw.) könnte durch verschiedene Methoden (bessere Dämmung zum Beispiel durch die Verwendung von Styropor, Glaswolle und Wärmepumpen o.ä.) verbessert werden (auf ⅕ gesenkt werden)
-dennoch sind minimum 150 TWh dafür zusätzlich notwendig (momentan wären noch 770TWh dafür notwendig, was einfach nicht umsetzbar ist) Wärmepumpe: Entzieht der Umgebungsluft oder dem Grundwasser thermische Energie, um diese dann durch einen Wärmetauscher in den Warmwasserspeicher zu intervenieren. Die Wärmepumpe ist ein Energietauscher (Wärme aus der Umwelt wird also in ein Heizsysteme invertiert)
-Ein Hauskraftwerk kann die benötigte elektrische Energie intelligent einsetzen. So kann man tagsüber via Solarenergie einen stationären Stromspeicher im Haus laden. Die elektrische Energie wird anhand des Verbrauchs und des Bedarfs intelligent auf die Wärmepumpe, das Elektroauto oder dem regulären Stromverbrauch (Licht, Herdplatte oder Computer) verteilt. Nachts wird der Akkumulator verwendet, um den Stromverbrauch zu denken und die Wärmepumpe weiterhin mit Solarstrom zu betreiben. Das Elektroauto kann intelligent über die Nacht geladen werden, um eine vollständige Entleerung des Stromspeichers zu vermeiden
-Der Zufluss an Strom aus dem Stromnetz wird somit auf ein Minimum reduziert

Um den Verkehr elektrisch zu gestalten wären noch einmal selbst bei einer Reduzierung von 50% durch eine Verbesserung des Wirkungsgrads 350 TWh an elektrischen Strom notwendig

Als letzter Punkt kommt auch noch die Industrie hinzu. Wenn auch diese ihren Strombedarf um die Hälfte verringert, werden noch ca. 300 TWh an erneuerbaren Energien notwendig sein.

Rechnet man das zusammen kommt man auf ein MINIMUM von 1150 TWh an zusätzlich benötigtem EE-Strom. Der benötigte Strom würde sich demnach verdoppeln !

Hierbei sind Faktoren wie Speicher- und Umwandlungsverluste nicht mit einberechnet

Wenn der Strom verdoppelt werden muss und durch erneuerbare Energien ersetzt wird, müssen Windkraft und Solarenergie extrem ausgebaut werden, die Energie daraus muss sich mehr als versechsfachen!

-> Werte 2020:

Windkraft 125 TWh

Photovoltaik 50 TWh
Gesamt 175 TWh

1150 KWh/175 TWh 6,6

Geht man nur auf Windenergie, da diese nicht so Jahreszeitenabhängig ist wie der Solarstrom, müsste dieser sogar verneunfacht werden!

(Wasserkraftwerke werden hier nicht bei der Vervielfachung mit einbezogen, da diese deutlich schwerer zu vergrößern sind)

Stromspeicherung:

Pumpspeicherkraftwerk

Ein Pumpspeicherkraftwerk ist ein Speicherkraftwerk, welches elektrische Energie in Form von Lageenergie in einem Stausee speichert. Das Wasser wird durch die elektrischen Pumpen in den Speicher gehoben, um später wieder für den Antrieb von Turbinen zur Stromerzeugung genutzt werden zu können. Pumpspeicherkraftwerke nehmen das Überangebot von elektrischer Energie im Stromnetz auf und geben sie bei Bedarf wieder ins Netz ab. Pumpspeicherkraftwerke sind die Technik, die verwendet wird um elektrische Energie in großem Maßstab zu speichern. Diese Art Energie zu speichern ist nur in bergigen Regionen machbar, da die Speicherbecken einen deutlichen höhenunterschied benötigen.

Stromspeicherung in Akkus und in Wasserstoff:

Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad, keinen direkten CO2 Ausstoß und könnten somit einen wichtigen Schritt für die Mobilität der Zukunft sein. Doch auch sie haben noch ihre Tücken in einer effizienten Stromspeicherung und in der Bewältigung des steigenden Stromverbrauchs. Die Stromspeicherung erfolgt bei Elektroautos in einem hundert Kilogramm schweren Akku, der aus durchschnittlich 6 kg Lithium besteht, was umweltschädlich ist, da der Abbau massiv in das Ökosystem eingreift, und viel Wasser verbraucht. Außerdem enthält ein Akku 11 kg Kobalt, der meist durch Kinderarbeit gewonnen wird. Jedoch gibt es Möglichkeiten so einen Akku effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Eine Möglichkeit dabei ist das Wiederverwenden der Elemente wie Kupfer, Kobalt und Nickel. Aber dies rentiert sich leider nur zu selten für die Unternehmen, sodass hierbei mehr Regeln oder wirtschaftliche Anreize geschaffen werden müssten. Eine zweite Möglichkeit wäre das Wiederverwenden der Akkus als stationäre Stromspeicher wie es im BMW-Werk in Leipzig bereits der Fall ist, wo eine Anlage mit ca. 700 alten, zusammengeschalteten E-Auto Akkus ein Puffer für die erzeugte Wind- und Solarenergie darstellt. Auch im Stadion von Ajax Amsterdam dienen alte Akkus als Pufferspeicher von Solarenergie für deren Beleuchtungsanlagen. Außerdem wären leistungsstärkere Akkus eine dritte Möglichkeit für eine effizientere Stromspeicherung. Dies soll durch andere Elemente mit höhere Energiedichte möglich gemacht werden. Zudem wird versucht mit umweltfreundlicheren Materialien wie mit Nickel anstatt von Kobalt oder mit Magnesium anstatt Lithium zu arbeiten. Außerdem sind Redox-Flussbatterien und auch vor allem Zink-Nickel Batterien zukunftsfähig, da z.B. noch genug Zink als Rohstoff vorhanden ist. Abschließend kann man sagen, dass je leistungsstärker, recycelbarer und konfliktärmer der Akku wird, desto billiger und umweltfreundlicher werden die Elektroautos und desto größer wird die Nachfrage nach ihnen.

Eine zweite Möglichkeit der Stromspeicherung ist Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird. Wenn der Strom dabei aus regenerativen Energien kommt, ist er komplett CO2 neutral, wobei aber der Wirkungsgrad eines Wasserstoffautos nur etwa die Hälfte von dem eines Elektroautos ist, was somit ein entscheidender Nachteil ist. Dafür hat das Wasserstoffauto eine größere Reichweite und nicht das Problem der Speicherung in Form eines solchen Akkus, der wie oben beschrieben viele Nachteile mit sich bringen kann. Insgesamt muss bei den unterschiedlichen Verkehrsmitteln also abgewogen werden, welche Nutzen bei den jeweiligen Speichermöglichkeiten bei welchen Verkehrsmitteln am größten sind. (nicht aus dem Internet)

Stromtransport