Kraftwerke im Vergleich

Zusammenfassung

Neben einer Materialsammlung zu verschiedenen gängigen Kraftwerksarten wird die Problematik der synchronen Stromerzeugung in Echtzeit thematisiert.

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Der Strommix in Deutschland

Wo unser Strom herkommt

Stromverbrauch in Deutschland im zeitlichen Verlauf und Anteil der erneuerbaren Energien

Anteil der verschiedenen Energieträger in der Stromproduktion

Strom kommt aus der Steckdose. Soweit klar.

Damit das aber immer und überall klappt ist eine ganze Menge Technik nötig. Strom muss nämlich produziert werden. Das passiert in Kraftwerken. Der Strom wird dort aber nicht aus dem Nichts erzeugt. Man braucht dafür Energie. Diese Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen. Die ersten Kraftwerke die elektrischen Strom herstellten wurden mit Dampfmaschinen betrieben, die meistens mit Kohle befeuert wurden. Bevor sich der Strom durchgesetzt hatte wurden Dampfmaschinen verwendet um Maschinen in der Industrie anzutreiben. Auch die Dampflok ist eigentlich eine Dampfmaschine die einen Zug antreibt.

In Kohle ist also Energie gespeichert. Sie wird daher auch als ein Energieträger bezeichnet. Einen Teil der gespeicherten Energie kann man verwenden um (über Umwege) Strom zu erzeugen. Heute sind Kohlekraftwerke leistungsfähiger als Dampfmaschinen. Das Prinzip ist aber immer noch ähnlich. Es handelt sich bei dieser Kohle übrigens nicht um Holzkohle die du vielleicht vom Grillen kennst sondern um Braunkohle oder Steinkohle die im Bergbau gewonnen werden kann. Um den Text aber nicht unnötig kompliziert zu machen, sprechen wir hier allgemein von Kohle.

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Zum Vergleich: der weltweite Stromverbrauch im zeitlichen Verlauf und Anteil der erneuerbaren Energie und der Kernenergie. Beachte die unterschiedlichen Einheiten auf der Y-Achse

Weitere Energieträger die zur Erzeugung von Strom genutzt werden sind z.B. Erdgas das in Gaskraftwerken genutzt wird, bestimmte Atomkerne die in Atomkraftwerken genutzt werden und sogar Hausmüll oder Bioabfälle die in Biomassekraftwerken oder Müllkraftwerken genutzt werden.

In allen oben genannten Kraftwerken wird Wärme erzeugt (meistens durch Verbrennung) um über einige Umwege elektrischen Strom zu produzieren. Diese Kraftwerke werden häufig unter dem Begriff Wärmekraftwerke zusammengefasst. Sie alle produzieren neben elektrischer Energie auch noch Wärmeenergie die zum Heizen von Häusern oder Wasser verwendet werden kann. Weil die Wärme dann über weite Strecken vom Kraftwerk in deine Wohnung transportiert werden muss, sprechen wir dann von Fernwärme. Das hast du vielleicht schon mal gehört.

Es gibt aber auch Kraftwerke die ohne Wärme arbeiten. Diese nutzen meistens Energieträger die praktisch unendlich vorhanden sind wie das Sonnenlicht, die Kraft des strömenden Wassers in Flüssen (Wasserkraft) oder die Kraft des Windes (Windkraft). Die zugehörigen Kraftwerke werden als Wasserkraftwerke, Windkraftwerke oder Windräder bezeichnet. Im Falle des Sonnenlichts sprechen wir meistens von Photovoltaikanlagen. Diese Energieträger werden oft unter dem Begriff regenerative Energien oder erneuerbare Energien zusammengefasst (regenerieren bedeutet "sich erholen"). Manchmal wird Hausmüll oder Biomasse auch zu den erneuerbaren Energien gezählt, weil wir Menschen ja auch ständig neuen Müll produzieren. Und auch Biomasse wird als Abfall in der Landwirtschaft ständig neu produziert.

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Die weltweit vorkommenden Vorräte an Kohle, Erdgas aber auch an Erdöl sind begrenzt. Zwar wird immer mal wieder ein neues Gasvorkommen entdeckt aber es ist jetzt schon klar, dass wir nicht dauerhaft auf diese sogenannten fossilen Energieträger zurückgreifen können. Diese Energieträger sind im Laufe der Erdgeschichte entstanden. Es dauert mehrere Millionen Jahre bis Kohle entsteht. Seit Beginn der Industriellen Revolution (um 1800 n. Chr.) nutzen Menschen Kohle in großen Mengen. In etwas mehr als 200 Jahren haben wir bereits den größten Teil aller verfügbaren fossilen Energieträger verbraucht.

In den Grafiken ist gezeigt wie groß der Anteil der verschiedenen Energieträger ist. In der ersten Grafik wird gezeigt wie groß der Stromverbrauch in Deutschland seit 1991 ist und wie groß der Anteil der erneuerbaren Energien daran ist. Du kannst sehen, dass der Stromverbrauch steigt. Der Anteil der erneuerbaren Energien ist noch deutlicher gestiegen. In der zweiten Grafik ist noch genauer Aufgeschlüsselt, welche Energieträger welchen Anteil an der Stromerzeugung haben. In der dritten Grafik wird die weltweite Stromproduktion dargestellt. Dabei wird unterschieden zwischen fossiler Energie, Kernenergie und erneuerbarer Energie.

Was die Sache mit dem Strom noch ein bisschen komplizierter macht

Stromerzeugung in Deutschland im zeitlichen Verlauf und Anteil verschiedener Energieträger Quelle: Agora Energiewende https://www.agora-energiewende.de/service/agorameter/ Dort kann man übrigens für verschiedene Zeiträume die Stromproduktion in Deutschland nachschauen.

Ärgerlicherweise muss der Strom der gerade in diesem Moment benötigt wird auch in diesem Moment produziert werden. Es gibt zwar die Möglichkeit Strom zu speichern (z.B. in einer Batterie) aber das ist bisher nur für kleinere Mengen möglich weil die Technologie zum Strom speichern sehr teuer ist. Wir könnten sonst die Energie die an einem sehr sonnigen, windigen Tag erzeugt wird auch speichern um nachts oder bei Windstille Strom zur Verfügung zu haben.

In der Abbildung oben ist für eine Woche im Sommer (Montag - Sonntag) die Zusammensetzung unseres Strommixes in Deutschland dargestellt. Der oberste, graue Bereich stellt Kohle und Erdgas dar, Atomenergie ist getrennt dargestellt.

Der Stromverbrauch (und damit dann auch die Stromproduktion) schwankt im Verlauf einer Woche. Der Anteil der verschiedenen Energieträger schwankt ebenfalls.

Strom und das Klima

Bei der Erzeugung von elektrischem Strom durch Verbrennen von "Dingen" wird CO₂ erzeugt. CO₂ ist (unter Anderem) für den Klimawandel verantwortlich. Es sorgt dafür, dass die Wärme mit der die Sonne uns auf der Erde versorgt immer stärker in der Atmosphäre (Luft) festgehalten wird. So lange wir also Dinge verbrennen um Strom zu erzeugen heizen wir dadurch den Klimawandel an. Bei der Produktion von Strom aus regenerativen Energieträgern entsteht normalerweise gar kein CO₂. Eine Ausnahme bilden hierbei Biomassekraftwerke und Müllkraftwerke. Diese erzeugen ebenfalls CO₂. Weil das CO₂ aber vergleichsweise schnell durch nachwachsende Pflanzen wieder aus der Atmosphäre gezogen wird, verändern diese Kraftwerke den CO₂-Anteil der Atmosphäre praktisch nicht.

Fragen zum Strommix

1. Welche unterschiedlichen Energieträger werden in Kraftwerken verwendet?
2. Wie können die unterschiedlichen Energieträger sortiert werden? Erstelle eine Tabelle mit zwei Gruppen! Achte auf geeignete Spaltenüberschriften.
3. Wie entwickelt sich die Nutzung der unterschiedlichen Energieträger in Deutschland? Welche Gruppe wird neuerdings stärker genutzt, welche weniger?
4. Was sind die Gründe für die Veränderung?
5. Welche Probleme entstehen bei der Stromerzeugung in den verschiedenen Gruppen?

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Kohlekraftwerke

Ein Kohlekraftwerk erzeugt elektrischen Strom. Das ist ganz praktisch weil man Strom ja ganz gut gebrauchen kann. Du brauchst Strom ja z.B. um dein Smartphone zu laden. Wie genau im Kohlekraftwerk Kohle in Strom verwandelt wird klären erfährst du hier.

Zunächst sollten wir klären was Kohle eigentlich ist. Du kennst Kohle bestimmt vom Grillen im Sommer. Da verwendet man sogenannte Holzkohle. Die ist für ein Kohlekraftwerk aber ungeeignet. Stattdessen verwendet man Braunkohle oder Steinkohle. Beide Kohlearten verbrennen viel heißer als Holzkohle. Steinkohle verbrennt heißer als Braunkohle. Sie ist daher besser für die Verwendung im Kohlekraftwerk geeignet weil man für die gleiche Menge elektrischen Strom weniger Steinkohle benötigt als Braunkohle.

Holzkohle wird extra zum Grillen aus Holz hergestellt und ist für ein Kohlekraftwerk viel zu teuer. Braunkohle und Steinkohle kommen in der Natur vor. Sie werden in Bergwerken abgebaut um sie z.B. in Kohlekraftwerken zu verbrennen. Braunkohle und Steinkohle entstehen auch aus Holz. Allerdings dauert das viele Millionen Jahre. Die meisten Kohlevorkommen sind heute schon ziemlich leer geräumt. Obwohl von Zeit zu Zeit auch noch neue Kohlevorkommen gefunden werden haben die Menschen einen Großteil der nutzbaren Kohle schon verbraucht. Trotzdem wird heute noch immer sehr viel Kohle benutzt um daraus Strom zu erzeugen.

Um elektrischen Strom aus Kohle zu erzeugen sind mehrere Schritte nötig. Zuerst wird Kohle verbrannt. Die dabei freigesetzte Wärmeenergie wird zum Erhitzen und Verdampfen von Wasser genutzt. Mit dem Wasserdampf wird dann eine Turbine angetrieben (gedreht). Die Turbine kannst du dir einfach wie eine sehr gute Windmühle für Dampf vorstellen. Mit der Turbine wird eine große Metallstange (eine sogenannte Welle) gedreht. Die Welle ist auf der anderen Seite mit einem Generator verbunden der durch die Welle angetrieben wird. Im Generator wird dann elektrischer Strom erzeugt. Den Generator kannst du dir einfach wie einen sehr großen Fahrraddynamo vorstellen.

In der Kohle ist also Energie gespeichert die als chemische Energie bezeichnet wird. Durch die Verbrennung wird die chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie wird zum großen Teil vom Wasser aufgenommen. Dabei entsteht Wasserdampf der unter sehr hohem Druck steht. Mit diesem Druck wird eine Turbine angetrieben. Die Wärmeenergie wird hierbei in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Bewegungsenergie wird mit der Welle in den Generator weitergeleitet wo diese in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie wird dann als elektrischer Strom in deinen Haushalt geliefert.

Unter dem nebenstehenden Link findest du ein Video in dem die Funktion eines Kohle-Kraftwerkes noch mal erklärt wird. Du kannst auch im Physikbuch oder im Internet nach weiteren Quellen suchen.

https://youtu.be/nCEUCJM6_lE

Fragen zum Kohlekraftwerk

1. Welche Schritte sind zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Kohle nötig?
2. Erstelle eine übersichtliche, große, verständliche Skizze von einem Kohlekraftwerk. Die Skizze muss nicht genau sein, sie soll aber ordentlich sein und alle wichtigen Teile des Kohlekraftwerks darstellen. Du solltest die Teile unbedingt Beschriften.
3. In einem Kohlekraftwerk wird Energie häufig von der einen in die andere Energieform umgewandelt. Welche Energieumwandlungen finden in einem Kohlekraftwerk statt (also von welcher Energieform in welche andere Energieform)? Notiere diese in der Skizze an den entsprechenden Stellen.
4. Kannst Du die Funktionsweise und den Zweck eines Kohlekraftwerkes in vier Sätzen zusammenfassen? Notiere diese mit auf der Skizze.

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Gaskraftwerke

Ein Gaskraftwerk erzeugt elektrischen Strom. Das ist ganz praktisch weil man Strom ja ganz gut gebrauchen kann. Du brauchst Strom ja z.B. um dein Smartphone zu laden. Wie genau im Gaskraftwerk Gas in Strom verwandelt wird klären erfährst du hier.

Zunächst sollten wir klären was mit Gas eigentlich gemeint ist. Gas (genauer gesagt Erdgas) entsteht unter bestimmten Bedingungen wenn pflanzliche Stoffe unter hohem Druck und ohne Sauerstoff verrotten. Dieser Vorgang dauert mehrere Millionen Jahre. Trotzdem haben die Menschen in den letzten ca. 300 Jahren einen Großteil des natürlich vorkommenden Erdgases schon verbraucht. Trotzdem wird heute noch immer viel Gas benutzt um daraus Strom zu erzeugen. Erdgas wird meistens durch tiefe Bohrungen aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche transportiert. Unter der Nordsee gibt es einige Gasvorkommen aber auch im Mittelmeer und in anderen Meeren kann Gas an die Erdoberfläche transportiert werden.

Erdgas verbrennt sauberer als Kohle. Dabei wird zwar auch CO₂ erzeugt dafür entstehen aber weniger andere Schadstoffe.

Um elektrischen Strom aus Erdgas zu erzeugen sind mehrere Schritte nötig. Zuerst wird das Gas verbrannt. Das passiert in einer sogenannten Gasturbine die durch die Wärmeenergie in angetrieben (gedreht) wird. Die Turbine kannst du dir einfach wie eine sehr gute Windmühle vorstellen. Mit der Turbine wird eine große Metallstange (eine sogenannte Welle) gedreht. Die Welle ist auf der anderen Seite mit einem Generator verbunden der durch die Welle angetrieben wird. Im Generator wird dann elektrischer Strom erzeugt. Den Generator kannst du dir einfach wie einen sehr großen Fahrraddynamo vorstellen. Außerdem wird bei der Verbrennung des Gases Wärme erzeugt. Diese Wärmeenergie wird zum Erhitzen und Verdampfen von Wasser genutzt. Mit dem Wasserdampf wird dann eine Dampfturbine angetrieben die ebenfalls einen Generator antreibt der auch noch mal Strom erzeugt.

Im Erdgas ist also Energie gespeichert. Diese Energie wird als chemische Energie bezeichnet. Durch die Verbrennung wird die chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie wird zum Teil genutzt um einer Turbine Bewegungsenergie zuzuführen. Der Rest der Wärmeenergie wird vom Wasser aufgenommen. Das Wasser wird dabei in Wasserdampf umgewandelt der unter sehr hohem Druck steht. Mit diesem Druck wird die zweite Turbine angetrieben. Die Wärmeenergie wird hier also in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Bewegungsenergie wird mit der Welle in den Generator weitergeleitet wo diese in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie wird dann als elektrischer Strom in deinen Haushalt geliefert damit du damit z.B. dein Smartphone laden kannst.

https://youtu.be/THENgJa0KBs

Unter dem nebenstehenden Link findest du ein Video in dem die Funktionsweise eines Gaskraftwerkes auch noch mal erklärt wird. Du kannst auch im Physikbuch oder im Internet nach weiteren Quellen suchen.

Fragen zum Kohlekraftwerk

1. Welche Schritte sind zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Erdgas nötig?
2. Erstelle eine übersichtliche, große Skizze von einem Gaskraftwerk. Die Skizze muss nicht genau sein, sie soll aber ordentlich sein und alle wichtigen Teile des Kraftwerks darstellen. Du solltest die Teile unbedingt Beschriften damit die Skizze verständlicher wird.
3. In einem Gaskraftwerk wird Energie häufig von der einen in die andere Energieform umgewandelt. Welche Energieumwandlungen finden in einem Gaskraftwerk statt (also von welcher Energieform in welche andere Energieform)? Notiere die Energieumwandlung in der Skizze an die entsprechenden Stellen.
4. Kannst Du die Funktionsweise und den Zweck eines Gaskraftwerkes in vier Sätzen zusammenfassen? Notiere diese mit auf der Skizze.

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Probleme mit Wärmekraftwerken

Bei der Verbrennung von Dingen entsteht neben giftigen Schadstoffen auch CO₂. CO₂ ist (unter Anderem) für den Klimawandel verantwortlich. Es sorgt dafür, dass die Wärme mit der die Sonne uns auf der Erde versorgt immer stärker in der Atmosphäre (Luft) festgehalten wird. So lange wir also Dinge verbrennen um Strom zu erzeugen heizen wir dadurch den Klimawandel an. Bei der Produktion von Strom aus regenerativen Energieträgern entsteht normalerweise kein CO₂. Eine Ausnahme bilden hierbei Biomassekraftwerke und Müllkraftwerke. Diese erzeugen ebenfalls CO₂. Weil das CO₂ aber vergleichsweise schnell durch nachwachsende Pflanzen wieder aus der Atmosphäre gezogen wird, verändern diese Kraftwerke den CO₂-Anteil der Atmosphäre praktisch nicht.

Verbrennungskraftwerke deren Energieträger fossil sind (z.B. Erdgas, Braunkohle, Steinkohle, Erdöl) verwenden CO₂-Speicher die vor Millionen von Jahren entstanden sind. Das CO₂ das in diesen Kraftwerken freigesetzt wird war also für Millionen Jahre aus der Atmosphäre (der Luft) entzogen. Seit Beginn der Industriellen Revolution (vor ca. 300 Jahren) setzen wir Menschen sehr viel mehr CO₂ frei als heute natürlicherweise in der Atmosphäre vorhanden wäre. Obwohl der Anteil des CO₂ an der Atmosphäre immer noch sehr klein ist hat dieses Gas doch schon erhebliche Auswirkungen auf den Temperaturhaushalt unseres Planeten. Durch das CO₂ wirkt unsere Atmosphäre ähnlich wie ein "Gewächshaus" oder "Treibhaus". Daher kommt auch der Name Treibhausgase für CO₂ und andere. Die Sonne scheint auf die Atmosphäre und erwärmt diese. Normalerweise sollte diese Wärme die Atmosphäre auch wieder verlassen, so dass sich eine globale Durchschnittstemperatur einstellt. Diese Durchschnittstemperatur ist nicht so einfach zu bestimmen. Allerdings lässt sich die Veränderung dieser Durchschnittstemperatur sehr genau bestimmen.

Weltweiter Treibhausgas-Ausstoß und wie sich dieser in Zukunft entwickeln könnte.

Die Erwärmung der Atmosphäre hat für uns Menschen schwerwiegende Folgen. Zum einen steigt der Meeresspiegel weil Gletscher weltweit schmelzen. Zum anderen sind große Regionen von Dürre bedroht weil Flüsse vor allen Dingen in wärmeren Regionen nicht mehr so zuverlässig Wasser führen. In anderen Gebieten kommt es zu Überschwemmungen durch stärkere Unwetter z.B. Starkregen oder Hurricanes. Durch die Veränderung des Klimas verschieben sich die möglichen Lebensräume für viele Tiere - der Eisbär wird dadurch stark bedroht. Aber auch bestimmte Krankheitserreger können sich vielleicht bald in andere Gebiete ausbreiten.

Um die schwersten Folgen des Klimawandels abzuwenden haben sich die meisten Politiker weltweit im "Pariser Klimaabkommen" darauf geeinigt die Erwärmung der Atmosphäre möglichst auf 1,5°, allerhöchstens jedoch auf 2,0° zu begrenzen.

Um das Ziel des Pariser Klimaabkommens erreichen zu können muss der Ausstoß von Treibhausgasen schnell und deutlich reduziert werden. In der Grafik wird dargestellt wie viel CO₂ derzeit produziert wird. die unteren beiden Zweige führen zur Erreichung des Pariser Klimaabkommens. die beiden Zweige darüber zeigen was die Politiker sich im Moment vorgenommen haben. der oberste, breite Zwei zeigt, was passiert wenn wir Menschen nichts unternehmen.

Fragen zu Problemen mit Wärmekraftwerken

1. Welche Auswirkungen hat das Verbrennen von Kohle, Gas und Erdöl?
2. Wieso ist das Verbrennen von Kohle, Gas und Erdöl schlimmer als das Verbrennen von Biomasse (z.B. Holz oder Küchenabfälle)?
3. Welche Folgen ergeben sich aus der Erwärmung der Atmosphäre?
4. Wie könnte der Ausstoß von Treibhausgasen sinnvollerweise verhindert werden?

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Photovoltaik

Leistung der weltweit installierten Photovoltaikanlagen

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels Solarzellen.

Die Photovoltaik (auch Fotovoltaik oder abgekürzt PV) basiert auf der Fähigkeit bestimmter Materialien, Licht direkt in Strom umzuwandeln. Der Photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 entdeckt. Dieser wurde daraufhin weiter erforscht, wobei insbesondere Albert Einstein mit seiner 1905 erschienenen Arbeit zur Lichtquantentheorie großen Anteil an dieser Erforschung hatte, für die er 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

Seit 1958 wird Photovoltaik in der Raumfahrt genutzt, anschließend diente sie zur Energieversorgung einzelner elektrischer Geräte wie Taschenrechnern oder Parkscheinautomaten. Mit großem Abstand wichtigstes Anwendungsgebiet ist heute die netzgebundene Stromerzeugung auf Dachflächen und als Freiflächenanlage, um konventionelle Kraftwerke zu ersetzen.

Stromerzeugungskosten in Deutschland 2018 im Vergleich. Strom aus Kernkraftwerken ist etwa so teuer wie Kohlestrom (dabei nicht mitgerechnet Kosten für die Lagerung des Atommülls und Versicherung für den Fall eines Störfalls vgl. Fukushima)

Die PV galt lange Zeit als die teuerste Form der Stromerzeugung mittels erneuerbaren Energien; eine Sicht, die mittlerweile überholt ist. Von 2011 bis 2017 sind die Kosten der Stromerzeugung aus PV um fast 75 % gefallen.

Ein großer Vorteil von PV-Anlagen ist die Tatsache, dass bei der Stromproduktion und der Herstellung der Anlagen kein CO₂ erzeugt wird. PV ist daher eine gute Alternative zur klimaneutralen Stromproduktion.

Ein großer Nachteil der PV ist die Tatsache, dass diese nur bei Lichteinfall Strom produzieren. Nachts produzieren PV-Anlagen keinen Strom und bei Bewölkung arbeiten sie mit verminderter Leistung.

Quelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)