Fachlich geprüft von Jesús Andrade, Elektroingenieur und MBA-Absolvent der ESIC. Er verbindet zwanzig Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Notleuchten und Geräten zur Risikoprävention mit fundierten Kenntnissen in der Unternehmensführung. Andrade ist derzeit CTO bei SVE Worldwide, einem Unternehmen, das auf die Entwicklung von Präventionslösungen für die Industrie spezialisiert ist.
Die Bedeutung von Strom
Die meisten von uns sind sich nicht wirklich bewusst, wie wichtig Strom in unserem Leben ist – es sei denn, wir haben schon einmal für ein paar Stunden einen Stromausfall erlebt und gemerkt, dass wir plötzlich 90 % der Dinge, an die wir gewöhnt sind, nicht mehr tun können. Alltägliche Handlungen wie das Licht einzuschalten, das Handy zu laden oder Lebensmittel im Kühlschrank frisch zu halten, sind nur dank des Stromsystems möglich, das Elektrizität in jeden Haushalt bringt. Vielleicht denkst du, dass das alles Magie ist und du deshalb nicht jeden Tag in den Supermarkt musst, aber die Realität ist deutlich komplexer (Spoiler-Alarm). Wenn du ein bisschen mehr über dieses spannende Thema erfahren möchtest, lies einfach weiter.
Inhaltsverzeichnis
Traditionelle, auf fossilen Brennstoffen basierende Erzeugungssysteme vs. erneuerbare Systeme
Systeme auf Basis der mechanischen Drehung eines Generators vs. Photovoltaik
Konventionelle Erzeugungssysteme
Systeme für erneuerbare Energien
Teile des Stromsystems
Das Stromsystem lässt sich in drei klar voneinander abgegrenzte Teile einteilen: Erzeugungssysteme, Verbraucher und das Verteilnetz, das den Strom von den Erzeugungssystemen zu den Verbrauchern bringt und der am schwierigsten zu erklärende Teil ist. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf das erste Element, nämlich die Erzeugungssysteme.
Arten von Stromerzeugungssystemen
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die verschiedenen Arten der Stromerzeugung zu klassifizieren:
Traditionelle, auf fossilen Energieträgern basierende Erzeugungssysteme vs. erneuerbare Systeme
Mit dieser ersten Unterscheidung bist du wahrscheinlich schon vertraut. Im Grunde sind die Systeme, an die du denkst, wenn wir von der Stromerzeugung aus Gas, Öl, Kohle oder Uran (einem wichtigen Bestandteil von Kernkraftwerken) sprechen, die traditionellen Systeme; das liegt daran, dass wir sie seit sehr vielen Jahren nutzen. Wie du sicher weißt, hat die Nutzung dieser Energiequellen schädliche, umweltschädliche Auswirkungen, vor allem die Freisetzung großer Mengen CO₂ in die Atmosphäre.
Anhand der eingesetzten Energieträger unterscheidet man häufig zwischen konventioneller und erneuerbarer Stromerzeugung. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie natürliche Ressourcen zur Energieerzeugung auf nachhaltige und umweltfreundliche Weise nutzen. Wasserkraftwerke, die Wasser als Hauptelement einsetzen, Windkraftanlagen, die vom Wind angetrieben werden, oder Photovoltaikanlagen, die die Energie der Sonne nutzen, sind Beispiele für erneuerbare Stromerzeugungssysteme.
Systeme auf Basis der mechanischen Drehung eines Generators vs. Photovoltaik
Wie funktionieren traditionelle Energiequellen?
Die meisten konventionellen Systeme sowie Windkraftanlagen und Wasserkraftwerke (erneuerbare Energien) basieren bei der Stromerzeugung auf der mechanischen bzw. rotierenden Bewegung einer Generatorwelle. Da das Ziel dieses Beitrags nicht ist, dass du den Computer ausschaltest und direkt zur Flasche greifst, sagen wir der Einfachheit halber: Die Wärme, die beim Verbrennen von Gas oder Öl entsteht, oder die Bewegung der Rotorblätter einer Windkraftanlage erzeugt eine Bewegung, die dank des Elektromagnetismus schließlich elektrischen Strom erzeugt.
Wie funktioniert ein Solarpanel?
Die Photovoltaik hingegen benötigt keinen rotierenden Generator. Sie erzeugt elektrischen Strom, wenn bestimmte Materialien (Halbleiter wie kristallines Silizium oder Galliumarsenid) einer Lichtquelle ausgesetzt werden (photoelektrischer Effekt). Photovoltaik ist in der Lage, das Licht der Sonne (Photonen) in elektrische Energie umzuwandeln.
Insgesamt ist dies die grundlegende Einteilung, die wir auf die verschiedenen Stromerzeugungssysteme anwenden können. Schauen wir uns nun die einzelnen Systeme etwas genauer an, ausgehend von der ersten Klassifizierung: konventionelle vs. erneuerbare Systeme.
Konventionelle Erzeugungssysteme
Zu den wichtigsten Arten von Kraftwerken der konventionellen Stromerzeugung gehören:
1)Thermoelektrische oder Wärmekraftwerke: Sie wandeln die chemische Energie fossiler Brennstoffe (Wärme) in elektrische Energie um. Ihr Funktionsprinzip ist weitgehend gleich, unabhängig davon, welcher Energieträger eingesetzt wird.
1.1) Konventionelle Kraftwerke: Die Energie wird durch das Verbrennen fossiler, nicht erneuerbarer Rohstoffe wie Kohle, Erdgas, Erdöl oder Heizöl gewonnen.
1.2) Gas- und Dampfkraftwerke (GuD / Kombikraftwerke): Sie sind den konventionellen Kraftwerken ähnlich, nutzen aber ausschließlich Erdgas. Ihr Betrieb ist komplexer, da sie über zwei getrennte Turbinen verfügen: eine Gasturbine und eine Dampfturbine, die zusammenarbeiten. Dadurch erreichen sie einen höheren Wirkungsgrad.
1.3) Kernkraftwerke: Sie erzeugen Strom aus der Wärmeenergie, die durch Kernspaltungsreaktionen (Spaltung von Atomkernen) im Reaktordruckbehälter entsteht. Das zentrale Element eines Kernkraftwerks ist der Reaktor, in dem sich der Kernbrennstoff befindet und in dem die Kettenreaktionen ablaufen, die Wärme freisetzen. Wie bei den zuvor genannten Kraftwerken wird die Wärme genutzt, um Wasser zu erhitzen, bis es zu Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur wird. Dieser Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator verbunden ist. Der Generator wandelt die mechanische Energie der rotierenden Turbine in elektrische Energie um, die dann in Industrie und Haushalten genutzt werden kann.
Systeme der erneuerbaren Energien
Bei den erneuerbaren Systemen stehen uns unter anderem folgende zur Verfügung:
Wie funktioniert Wasserkraft?
1) Wasserkraft: Wasserkraftwerke nutzen eine Turbine, um die Energie des Wassers, das aus einer bestimmten Höhe herabfällt, in Strom umzuwandeln. Dabei wird das Wasser ins Innere der Turbine geleitet und auf die Schaufeln am Rand einer Welle gelenkt, die einen Generator antreibt. Die Leistung hängt von der Fallhöhe des einströmenden Wassers ab. Wasserkraft ist eine der günstigsten Energiequellen und verursacht sehr geringe Emissionen, die hauptsächlich aus dem Zement und Stahl stammen, die für den Bau der Anlagen benötigt werden.
Wie funktioniert eine Windkraftanlage?
2) Windenergie: Wie bereits erwähnt, hat eine typische moderne Windkraftanlage drei Rotorblätter, die an einer horizontalen Welle befestigt sind. Jedes dieser Blätter ist etwa 60 Meter lang und treibt einen Stromgenerator an. Windenergie verursacht im Grunde kaum globale Erwärmung und praktisch keine Luftverschmutzung; es entstehen nur geringe CO₂-Emissionen, die auf die Nutzung fossiler Brennstoffe beim Bau und Betrieb der Windparks zurückzuführen sind.
Wie funktioniert Photovoltaik?
3) Photovoltaik: Die wichtigste Energiequelle ist das Sonnenlicht, das uns jeden Tag zur Verfügung steht. Silizium ist das Hauptmaterial, das in Solarmodulen verwendet wird; der Rest besteht aus anderen photovoltaischen Materialien wie Galliumarsenid und Cadmiumtellurid.
Bereits installierte Photovoltaikanlagen verursachen weder Verschmutzung noch Treibhausgase und bieten eine sichere Möglichkeit, Strom zu erzeugen. Sie haben keine beweglichen Teile, was den Wartungsaufwand reduziert, und sie verursachen weder Lärmbelastung noch benötigen sie Wasser (abgesehen von einer kleinen Menge zum Reinigen der Module). Für ihre Herstellung werden zwar einige gefährliche Stoffe in kleinen Mengen und Energie aus fossilen Brennstoffen eingesetzt, aber da Solarmodule dreißig Jahre oder länger halten, liegt der CO₂-Fußabdruck der von ihnen erzeugten Elektrizität nur bei etwa 10 % im Vergleich zu Gaskraftwerken mit Turbinen.
Welche alternativen Energiequellen gibt es?
4) Biomasse: Unter Biomasse versteht man jede organische Substanz, die als Energiequelle genutzt werden kann. Sie kann sowohl tierischen als auch pflanzlichen Ursprungs sein und entweder natürlich anfallen oder durch chemische Prozesse in Biomassekraftwerken gewonnen werden. Biomasse lässt sich in drei Kategorien einteilen: natürlich (entsteht ohne menschlichen Einfluss), Reststoffe (haben menschlichen Ursprung) und gezielt angebaute Biomasse (Energiepflanzen, die speziell für die energetische Nutzung kultiviert werden).
5) Solarthermie: Solarthermische oder thermosolare Energie ist eine Form der erneuerbaren Energie, bei der die Sonnenenergie genutzt wird, um Wärmeenergie oder Strom zu erzeugen. Im Gegensatz zu Photovoltaikmodulen, die Strom direkt aus Lichtphotonen erzeugen, nutzen solarthermische Anlagen die Sonnenstrahlung, um ein Fluid zu erhitzen. Dieses erhitzte Fluid kann dann beispielsweise für Heizung, Warmwasseraufbereitung oder andere Prozesse genutzt werden, bei denen Wärme benötigt wird.
Neben den oben genannten erneuerbaren Systemen gibt es weitere erneuerbare Energiequellen, deren Beitrag zwar geringer sein kann als der von Wind- oder Solarenergie, die aber im kleinen Maßstab oder in bestimmten Regionen an Bedeutung gewinnen können:
6) Gezeitenenergie: Energie aus den Gezeiten.
7) Wellenenergie: Energie aus der Bewegung der Meereswellen.
8) Geothermie: Energie aus der inneren Wärme der Erde (beschränkt auf Regionen mit hoher geologischer Aktivität).
Damit es etwas einfacher wird, haben wir eine visuelle Zusammenfassung der wichtigsten Stromerzeugungsquellen eingefügt, über die wir gesprochen haben:
So, das war’s – du hast es bis ans Ende dieses Beitrags geschafft. Glückwunsch! Wir hoffen, dass Ihnen dieser Beitrag über die verschiedenen Arten der Stromerzeugung gefallen hat. In den nächsten Kapiteln schauen wir uns weiter an, wie du dank des Stromsystems dein Handy laden oder deinen Computer einschalten kannst.