Kraftwerke im Vergleich

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Zusammenfassung

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

Der Strommix in Deutschland


Wo unser Strom herkommt

Stromverbrauch in Deutschland im zeitlichen Verlauf und Anteil der erneuerbaren Energien
Stromverbrauch in Deutschland im zeitlichen Verlauf und Anteil der erneuerbaren Energien
Verteilung der Primärenergieträger auf die Stromproduktion im zeitlichen Verlauf
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.


Weltweiter Stromverbrauch im zeitlichen Verlauf und Anteil der erneuerbaren Energie und der Kernenergie
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.


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
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?


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: 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, 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.

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.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: 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.

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 Gaskraftwerk
  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.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: 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 Zweig 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?


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Sonnenenergie: Photovoltaik

Leistung der weltweit installierten Photovoltaikanlagen
Stromerzeugungskosten in Deutschland 2018 im Vergleich.
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)

Unter Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mit Solarzellen.

Die Photovoltaik (abgekürzt PV) basiert auf der Fähigkeit bestimmter Materialien, Licht direkt in Strom umzuwandeln. Diese Fähigkeit wurde schon im Jahre 1839 entdeckt. Sie wurde daraufhin weiter erforscht, woran Albert Einstein großen Anteil hatte, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Seit 1958 wird Photovoltaik in der Raumfahrt genutzt, anschließend diente sie zur Energieversorgung einzelner elektrischer Geräte wie z.B. Taschenrechner. Heute werden PV-Anlagen z.B. auf Dachflächen genutzt um Strom zu erzeugen.

Die PV galt lange früher als sehr teuer. Sie wird aber immer günstiger Alleine von 2011 bis 2017 sind die Kosten der Stromerzeugung aus PV um fast 75% gefallen.

Ein Vorteil von PV-Anlagen ist die Tatsache, dass bei der Stromproduktion und bei der Herstellung der Anlagen kein CO2 erzeugt wird. PV ist daher eine gute Möglichkeit zur klimaschonenden Stromproduktion. Nachts produzieren PV-Anlagen allerdings keinen Strom und bei Bewölkung arbeiten sie nur mit geringerer Leistung.

Sonnenenergie: Thermische Solarkraftwerke
Prinzip eines Parabolrinnenkraftwerks.
Prinzip eines Parabolrinnenkraftwerks. Die gesammelte Sonnenwärme wird genutzt um damit eine Turbine zur Stromerzeugung zu betreiben.
Weltweite Verteilung der Sonnenenergie
Weltweite Verteilung der Sonnenenergie. Die Punkte zeigen die Fläche die nötig ist um an diesem Ort die weltweit benötigte Energie durch Sonnenenergie zu decken.

Eine Alternative Möglichkeit Sonnenenergie in Strom umzuwandeln stellen sogenannte Parabolrinnen-Kraftwerke dar. Diese bestehen aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein Rohr im Zentrum des gewölbten Spiegels bündeln.

In diesem sogenannte Absorberrohr (Absorber Tube) wird die Wärme aufgenommen. Sie wird genutzt, um damit (genau wie in einem Kohlekraftwerk) eine Turbine anzutreiben. Diese Turbine ist mit einem Generator verbunden, der elektrischen Strom produziert. Ein Teil der Wärme wird gespeichert, um damit auch nachts die Turbine zu betreiben. Daher ist ein solches Kraftwerk Grundlast-fähig.

Parabolrinnen-Kraftwerke können sinnvoll nur in Regionen genutzt werden, in denen das ganze Jahr über genug Sonne scheint.

Fragen zur Sonnenenergie
  • Welche Schritte sind zum Erzeugen von elektrischem Strom bei Parabolrinnenkraftwerken nötig?
  • Erstelle eine übersichtliche, große Skizze von einem Parabolrinnenkraftwerk. 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.
  • In einem Parabolrinnenkraftwerk wird Energie von der einen in die andere Energieform umgewandelt. Welche Energieumwandlungen finden in einem Parabolrinnen-Kraftwerk statt? Notiere die Energieumwandlung in der Skizze an die entsprechenden Stellen.
  • Kannst Du die Funktionsweise und den Zweck eines Parabolrinnen-Kraftwerks in zwei Sätzen zusammenfassen? Notiere diese mit auf der Skizze.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Windkraftwerke

Windkraftanlage schematisch
Windkraftanlage schematisch
Größen von Windrädern
Größen von Windrädern
Windgeschwindigkeiten in 100 m Höhe
Windgeschwindigkeiten in 100 m Höhe https://globalwindatlas.info/

Eine Windkraftanlage (umgangssprachlich auch Windkraftwerk) wandelt die Energie des Windes in elektrische Energie, um sie dann in das Stromnetz einzuspeisen. Die häufigste Bauform ist der "dreiblättrige Auftriebsläufer" mit horizontaler Achse, dessen Maschinenhaus auf einem Turm montiert ist und dem Wind nachgeführt wird.

Das Windrad wird durch den Wind in Rotation versetzt. Der Rotor ist über ein Getriebe mit einem Generator verbunden, der den elektrischen Strom produziert. Je größer ein Windrad ist, desto mehr Strom kann damit produziert werden. Heutige Windräder sind deutlich größer und leistungsfähiger als ältere Modelle.

Windkraftanlagen können in allen Klimazonen genutzt werden. Sie werden an Land (onshore) und in Offshore-Windparks im Küstenbereich der Meere installiert. Die typische Leistung heute gängiger Anlagen (Stand 2016) liegt bei etwa 2 bis 5 MW für Onshore-Anlagen und 3,6 bis 8 MW für Offshore-Anlagen. Im Inselbetrieb können auch Kleinanlagen im Leistungsbereich von wenigen 100 Watt bis zu mehreren kW wirtschaftlich sein. Windkraftanlagen können überall dort gebaut werden, wo häufig ein gleichmäßig starker Wind weht. In 100 - 200m Höhe weht in den meisten Gebieten der Erde genug Wind für den Betrieb von Windrädern.

Dass Windräder im Betrieb kein CO2 produzieren ist ein großer Vorteil von Windrädern. Als Nachteil können allerdings verschiedene Punkte gesehen werden: Da für den Betrieb eines Windrades eine gewisse Windgeschwindigkeit erreicht werden muss, können Windräder nicht im Dauerbetrieb elektrischen Strom produzieren. Sie sind daher nicht grundlastfähig.

Außerdem wird berichtet, dass sich Anwohner gelegentlich über den Schattenwurf auf Häuser und Grundstücke oder die Geräuschentwicklung von Windrädern ärgern. Letztlich kommen auch Vögel an Windrädern zu Schaden oder ums Leben. Verglichen mit anderen Gefahrenquellen für Vögel (wie Glasscheiben und Hauskatzen) ist das jedoch ein vergleichsweise kleines Problem.

Fragen zur Windkraft
  • Welche Schritte sind zum Erzeugen von elektrischem Strom bei Windkraftwerken nötig?
  • Erstelle eine übersichtliche, große Skizze von einem Windkraftwerk. 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.
  • In einem Windkraftwerk wird Energie von der einen in die andere Energieform umgewandelt. Welche Energieumwandlungen finden in einem Windkraftwerk statt? Notiere die Energieumwandlung in der Skizze an die entsprechenden Stellen.
  • Kannst Du die Funktionsweise und den Zweck eines Windkraftwerks in zwei Sätzen zusammenfassen? Notiere diese mit auf der Skizze.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Wasserkraftwerke

Wassermühle
Wassermühle
Wasserkraftwerk Querschnitt
Staudamm eines Wasserkraftwerks im Querschnitt

Wie jeder weiß, fließt das Wasser eines Flusses immer ins Meer. Manchmal entspringt der Fluss in der Tiefebene, manchmal entspringt der Fluss auch im Gebirge. Je steiler dabei der Fluss verläuft, desto schneller strömt das Wasser. Die Energie des Wassers haben Menschen schon sehr früh genutzt, um damit z.B. Getreide zu mahlen. Dazu wurden große Schaufelräder genutzt, um durch die Bewegung des Mühlrades einen Mühlstein in Bewegung zu setzen, der dann das Getreide zu Mehl gemahlen hat.

Das Prinzip ist bis heute geblieben, nur die Technik hat sich weiter entwickelt.

Da die Energie des Wassers um so größer ist, je größer die Fallhöhe des Wassers ist, hat man angefangen an geeigneten Orten das Wasser aufzustauen. Das Wasser fließt dann durch einen Schacht in der Staumauer und läuft durch eine Turbine. Die Turbine wird durch das schnell strömende Wasser in Bewegung versetzt. Die Turbine ist durch eine Welle (eine Metallstange) mit einem Generator verbunden der ebenfalls in Drehbewegung versetzt wird. Der Generator erzeugt aus der Energie der Bewegung elektrische Energie, die als elektrischer Strom in das Stromnetz eingespeist wird.


Fragen zur Wasserkraft
  • Welche Schritte sind zum Erzeugen von elektrischem Strom bei Wasserkraftwerken nötig?
  • Erstelle eine übersichtliche, große Skizze von einem Wasserkraftwerk. 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.
  • In einem Wasserkraftwerk wird Energie von der einen in die andere Energieform umgewandelt. Welche Energieumwandlungen finden in einem Wasserkraftwerk statt? Notiere die Energieumwandlung in der Skizze an die entsprechenden Stellen.
  • Kannst Du die Funktionsweise und den Zweck eines Wasserkraftwerks in zwei Sätzen zusammenfassen? Notiere diese mit auf der Skizze.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Atomkraftwerke

Schematischer Aufbau eines Atomkraftwerks
Der Evakuierungsbereich um das Kraftwerk Fukushima ist etwa so groß wie die Stadt Hamburg.

Atomkraftwerke nehmen eine Sonderstellung bei den Kraftwerken ein. Sie gehören ebenfalls zu den Wärmekraftwerken, weil sie mit Wärme Wasserdampf erzeugen und damit eine Turbine antreiben. Die Turbine dreht einen Generator, der dann elektrischen Strom erzeugt. Insofern ähnelt ein Atomkraftwerk einem Kohlekraftwerk. Anders als in Kohlekraftwerken wird in Atomkraftwerken allerdings nichts verbrannt. Stattdessen findet eine physikalische Reaktion in den "Brennstäben" statt. In den Brennstäben ist eine bestimmte Art von Uran enthalten, einem vergleichsweise schweren Atom. Dieses Uran wird in zwei kleinere, leichtere Atome aufgespalten. Man spricht dabei von der "Kernspaltung". Dabei wird viel Energie in Form von Wärme und Strahlung frei. Diese Energie entsteht dabei aber nicht aus dem Nichts. Bei der Spaltung des Uran-Atoms geht etwas Masse verloren und genau diese Masse wird in Energie umgewandelt. Berechnen kann man diese Energie übrigens mit der berühmten Formel von Einstein: E = m * C 2.

Zu den Vor- und Nachteilen der Atomenergie gibt es unterschiedliche Ansichten. Beim Betrieb eines Atomkraftwerks wird kein CO2 freigesetzt. Allerdings werden beim Bau von Atomkraftwerken und beim Uran-Bergbau erhebliche Mengen CO2 erzeugt. Dafür kann ein Atomkraftwerk aber sehr viel Strom produzieren.

In den Brennstäben von Atomkraftwerken entstehen durch die Kernspaltung mit der Zeit viele verschiedene, teilweise stark radioaktive Stoffe entsorgt werden müssen wenn der größte Teil der Uran-Atome verbraucht ist. Dieser sogenannte "Atommüll" ist stark radioaktiv und bleibt das auch über tausende von Jahren. Die Strahlung ist so stark, dass sie für Menschen sehr schnell tödlich ist. Daher muss Atommüll dauerhaft (also über tausende von Jahren) an einem sicheren Ort aufbewahrt werden. Solche Orte zu finden ist gar nicht so leicht und viele Orte die man für dauerhaft sicher hielt stellten sich hinterher als eher unsicher heraus.

Die Sicherheit des Atomkraftwerks selbst ist ebenfalls eine Herausforderung. In den vergangenen 60 Jahren sind mehrfach Störungen im Betrieb von Atomkraftwerken aufgetreten. Im Extremfall sind Atomkraftwerke dabei auch schon explodiert. Beim Atom-Unfall in Fukushima (2011) wurden große Mengen radioaktives Material in die Umwelt gebracht. Der größte Teil des Materials wurde dabei auf den Pazifischen Ozean geweht. Trotzdem musste wegen der starken Strahlenbelastung ein Bereich von bis zu 50km um das Kraftwerk evakuiert werden. Bis heute (2020) ist dieser Bereich nicht bewohnbar und darf wegen der hohen Strahlenbelastung teilweise nur für einige Stunden betreten werden.

Fragen zur Wasserkraft
  • Welche Schritte sind zum Erzeugen von elektrischem Strom bei Atomkraftwerken nötig?
  • Erstelle eine übersichtliche, große Skizze von einem Atomkraftwerk. 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.
  • Kannst Du die Funktionsweise und den Zweck eines Atomkraftwerks in zwei Sätzen zusammenfassen? Notiere diese mit auf der Skizze.
  • Welche Vor- & Nachteile ergeben sich bei der Nutzung von Atomkraftwerken?


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)

Biomasse



CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Kraftwerke im Vergleich (https://unterrichten.zum.de/wiki/Kraftwerke_im_Vergleich)