Kraftwerke - Grundlage der modernen Zivilisation

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Kapitel

├ťberschrift

Seite
0
Inhaltsverzeichnis
2
1
Einleitung
3
2
Der Generator - Grundlage der meisten Kraftwerke
4
2.1
Historische Entwicklung des Generators
4
2.2
Bau des Generators
4
3
Kraftwerke mit Generator
6
3.1
Kohle -, ├ľl - und Gaskraftwerke
6
3.2
Das Atomkraftwerk
7
3.2.1
Der allgemeine Aufbau von Atomkraftwerken
7
3.2.2
Der Siedewasserreaktor
7
3.2.3
Der Druckwasserreaktor
8
3.2.4
Der Brutreaktor ( Schneller Br├╝ter )
8
3.2.5
Der Hochtemperaturreaktor ( Kugelhaufenreaktor )
9
3.3.
Das Wasserkraftwerk
10
3.3.1
Der allgemeine Aufbau von Wasserkraftwerken
10
3.3.2
Die Francis - Turbine
10
3.3.3
Die Kaplan - Turbine
10
3.3.4
Die Pelton - Turbine
10
3.3.5
Das Pumpspeicherkraftwerk
11
3.3.6
Verbreitung von Wasserkraftwerken
11
3.4
Das Windkraftwerk
12
4
Stromerzeugung ohne Generator - Die Solarzelle
13
5
Quellenverzeichnis
14
6
Literaturverzeichnis
15
7
Anhang
16




















1 Einleitung


Man kann durchaus sagen, dass die Entdeckung und Nutzung des elektrischen Stroms f├╝r die Entwicklung der Menschheit genau so wichtig war, wie die Entdeckung des Feuers in der Urgesellschaft.
Fast alle Abl├Ąufe in der modernen Zivilisation sind auf die Nutzung des elektrischen Stroms zur├╝ckzuf├╝hren. Niemand kann sich mehr den elektrischen Strom aus unserem Alltag wegdenken.
Seit der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch Michael Faraday 1831 kam es innerhalb der kurzen Zeit von 167 Jahren bis heute zu einer gro├čen Anzahl von neuen Entdeckungen und Erfindungen auf dem Gebiet der Erzeugung des elektrischen Stroms und seiner Nutzung.
Es gibt heutzutage viele verschiedene M├Âglichkeiten, Strom in Kraftwerken zu erzeugen.
Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird versucht, die Funktionsweise und den Aufbau von Kraftwerken n├Ąher zu erkl├Ąren.


































2 Der Generator

2.1 Historische Entwicklung des Generators

Michael Faraday konnte 1831 als Erster die elektromagnetische Induktion nachweisen. Sie ist die Grundlage des Generators.
Faraday konstruierte auch die erste und einfachste elektrische Maschine, den Scheibendynamo. Dieser bestand im wesentlichen aus einer Kupferscheibe, die so montiert war, das sich ein Teil von ihr vom Mittelpunkt bis zum Rand zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten befand. Wurde die Kupferscheibe bewegt, wurde ein Strom induziert.
Da das Magnetfeld eines Dauermagneten nur f├╝r den Betrieb von kleinen Generatoren ausreichte, wurden bald f├╝r gro├če Generatoren Elektromagneten verwendet. Sp├Ąter wurde bei den Wechselstromgeneratoren zwei Arten verwendet: der Au├čenpolgenerator und der Innenpolgenerator.
Beim Au├čenpolgenerator sind die Magnet au├čen fest und die Spule dreht sich innen ( Abbildung zum Au├čenpolgenerator im Anhang, Seite 16, Abb. 16.1 ).
Beim Innenpolgenerator sind die Spulen au├čen fest und der Magnet bewegt sich innen ( Abbildung zum Innenpolgenerator im Anhang, Seite 16, Abb. 16.2 ). Heutzutage wird allerdings meistens der Drehstromgenerator verwendet. Bei ihm sind drei Spulen r├Ąumlich im Abstand von je 120┬░ angeordnet ( Abbildung zum Drehstromgenerator im Anhang, Seite 16, Abb. 16.3 ).



2.2 Bau des Generators

Der Verlauf der Spannung wird mit einer Sinuskurve dargestellt. Wenn die Leiterschleife parallel zum Magneten ist, erreicht der Induktionsstrom seine maximale H├Âhe, wenn sie senkrecht zum Magneten steht, sinkt der Induktionsstrom auf Null. Dreht sich die Leiterschleife wieder parallel zum Magneten, sinkt der Induktionsstrom auf einen negativen Spitzenwert, was bedeutet, dass er in die andere Richtung flie├čt. Wenn die Leiterschleife wieder senkrecht zum Magneten steht steigt der Induktionsstrom auf Null und der Vorgang beginnt von neuem. ( Diagramm zur Sinuskurve im Anhang Seite 17, Abb. 17.1 )
Wegen des steigenden Energiebedarfs wird heute bei der Erzeugung und Verteilung des Stromes ein dreiphasiges Wechselstromsystem genutzt, es wird als Drehstromsystem bezeichnet. Dadurch stehen dem Verbraucher zwei Spannungen zur Verf├╝gung ( z.B. 230 V und 400 V ). Der zur Erzeugung dieses Stroms verwendete Drehstromgenerator besteht aus drei r├Ąumlich um 120┬░ versetzten Spulen ( Str├Ąngen ), die von einem rotierenden Magnetfeld durchsetzt werden ( Abbildung zum Drehstromgenerator im Anhang, Seite 16, Abb. 16.3 ). Da das Magnetfeld des Rotors in 120┬░ - Abst├Ąnden die Spulen voll durchsetzt, entstehen Spannungen mit einer Phasenverschiebung von 120┬░. Es entstehen drei um 120┬░ versetzte Sinuskurven ( Diagramm im Anhang, Seite 17, Abb. 17.2 ). Die drei Spulen werden mit U, V und W bezeichnet.
Bei der Abnahme des Stroms von den Spulen unterscheidet man zwei prinzipielle Schaltungen: die Sternschaltung und die Dreieckschaltung. Bei der Sternschaltung werden die inneren Enden der Spulen ( U2, V2 und W2 ) miteinander zu einem Mittelanschlu├č ( auch Sternpunkt ) verbunden. Die Leiterspannung l├Ąsst sich nach folgender Gleichung errechnen:

U = v3 x UStr. ( Str steht f├╝r Strang = Spule ).

Bei der Dreieckschaltung wird U mit V, V mit W und W mit U verbunden ( Abbildung zur Dreieckschaltung im Anhang, Seite 17, Abb. 17.3 ). Die Gleichung f├╝r die Leiterspannung ist:

U = UStr,

somit ist

UUV = UVW = UWU = UStr.




































3 Kraftwerke mit Generator


3.1 Kohle -, ├ľl - und Gaskraftwerke

In solchen Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen wird, je nach Kraftwerkart, Stein - und Braunkohle bzw. Erd├Âl oder Erdgas verbrannt. Durch die entstehende W├Ąrme wird Wasser, das sich in Rohrleitungen befindet, zum Sieden gebracht.
Der entstehende Dampf hat einen Druck von etwa 170 bar und eine Temperatur von ca. 530 ┬░C. Dieser Dampf treibt die Turbinen f├╝r den Generator an. Anschlie├čend wird er in einem Kondensator durch anderes, in Rohrleitungen befindliches, Wasser wieder abgek├╝hlt. Das K├╝hlwasser wird dabei von ca. 25┬░C auf ca. 35┬░C erw├Ąrmt. In riesigen K├╝hlt├╝rmen wird es durch Verrieselung wieder auf 25┬░C abgek├╝hlt, allerdings verdunstet dabei ein Teil des Wassers. In einem 1300 - MW - Kraftwerk geht auf diese Art und Weise etwa ein Kubikmeter Wasser pro Sekunde verloren. ( Abbildung zum Aufbau eines Kraftwerks mit fossilen Brennstoffen im Anhang, Seite 18, Abb. 18.1 )
Ein gro├čer Nachteil von Kohle -, ├ľl - und Gaskraftwerken ist, dass viele umweltsch├Ądliche Abgase entstehen, die nur zum Teil von Filtern aus der Luft gefiltert werden.
Diese umweltsch├Ądlichen Gase sind z.B. beim Kohle - und ├ľlkraftwerk Kohlenstoffdioxid ( CO2 ), Stickoxide ( NOX ) und Schwefeldioxid ( SO2 ).
In einem Gaskraftwerk entstehen ebenfalls Kohlenstoffdioxid ( CO2 ), Stickoxide ( NOX ) und Schwefeldioxid ( SO2 ), es wird aber auch Methan ( CH4 ) freigesetzt.
Die meisten Schadstoffe werden von Kohlekraftwerken freigesetzt. So wurde beispielsweise durch die Modernisierung des Heizkraftwerks Jena - S├╝d vom Kohlebetrieb zum Gas - und Dampfturbinen - Heizkraftwerk die Emission von
CO2 von 500.000 t/a auf 264.000 t/a ( 53% ),
NOX von 665 t/a auf 220 t/a ( 33,8% ),
SO2 von 18.000 t/a auf 64 t/a ( 0,35% )
Staub von 128 t/a auf nahezu 0 gesenkt.
Ein weiteres Problem ist, dass die fossilen Brennstoffe nur begrenzt vorhanden sind, z.B. werden die Erd├Âl - und Ergasvorr├Ąte der Erde bereits in ca. 40 bis 50 Jahren aufgebraucht sein, wenn ihr Verbrauch konstant bleibt.
















3.2 Das Atomkraftwerk

3.2.1 Der allgemeine Aufbau von Atomkraftwerken

Bei einem Kernkraftwerk wird die Energie zur Dampferzeugung durch eine kontrollierte Kettenreaktion von Kernspaltungen gewonnen. Im Reaktorkern werden die Uran - bzw. Plutoniumatome des Brennstoffes durch Neutronen gespalten. Die dabei freigesetzte thermische Energie wird an einen Prim├Ąrkreislauf mit einer, je nach Kraftwerkart unterschiedlichen, Fl├╝ssigkeit abgegeben. Meist handelt es sich hierbei um Wasser oder fl├╝ssiges Natrium. Da diese Fl├╝ssigkeit radioaktiv ist, gibt sie ihre thermische Energie an einen Sekund├Ąrkreislauf ab, der meistens Wasser enth├Ąlt. Dieses Wasser verdampft durch die gro├če Hitze und treibt die Turbinen f├╝r den Generator an.
Da die Neutronen im Reaktorkern zu schnell sind, um bestimmte Stoffe ( z.B. Uran - 238 ) in gen├╝gender Menge zu spalten, wird ein Moderator ( Bremssubstanz ) verwendet. Ein guter Moderator muss ├╝ber einen gro├čen Streuquerschnitt ( Wirkungsquerschnitt ), einen kleinen Absorptionsquerschnitt f├╝r thermische Neutronen und eine m├Âglichst kleine Massenzahl A verf├╝gen. Typische Moderatoren sind schweres Wasser ( D2O ), Kohlenstoff in der Form von Graphit oder Beryllium.
Ein Kernreaktor kann sich nur dann selbst unterhalten, wenn das Verh├Ąltnis der Neutronenzahlen zweier, aufeinander folgender Spaltungsgenerationen mindestens eins ist. Ist dieses Verh├Ąltnis kleiner als eins, so ist es unterkritisch und die Kettenreaktion kommt zum Stillstand. Ist es genau eins, so ist es station├Ąr. Es wird immer angepeilt, dieses station├Ąre Verh├Ąltnis zu erreichen. Kommt es aber dazu, dass das Verh├Ąltnis gr├Â├čer als eins ist, ist es ├╝berkritisch und die Kernspaltungen nehmen unkontrolliert zu. Die Folge w├Ąre ein Super - GAU ( GAU bedeutet: gr├Â├čter anzunehmender Ungl├╝cksfall ). Um dies zu verhindern, werden Steuerst├Ąbe mehr oder weniger weit in den Reaktorkern eingefahren. Diese Steuerst├Ąbe bestehen aus Stoffen, die die Neutronen absorbieren und so f├╝r ein station├Ąres Verh├Ąltnis sorgen. Solche Neutronen absorbierenden Stoffe sind z. B. Bor oder Kadmium.
F├╝r das erstmalige in Betrieb setzen eines Reaktors werden zwar die ersten Neutronen aus einer speziellen Neutronenquelle ben├Âtigt, aber nach einer zwischenzeitlichen Stilllegung ist dies nicht mehr n├Âtig.



3.2.2 Der Siedewasserreaktor

Der Siedewasserreaktor geh├Ârt, wie auch der Druckwasserreaktor ( siehe 3.2.3 ) zur Gruppe der Leichtwasserreaktoren, da als K├╝hlmittel leichtes Wasser ( H2O ) statt schwerem Wasser ( D2O ) verwendet wird. Im Reaktorkern befinden sich ca. 800 Brennelemente, die jeweils durch einen Blechbeh├Ąlter begrenzt sind. Jedes Brennelement besteht aus 64 Brennstoffst├Ąben, die im wesentlichen aus angereichertem Uran in Form von Urandioxid ( U2O ) bestehen. Die Blechbeh├Ąlter der Brennelemente haben am unterem Ende eine ├ľffnung, durch die das K├╝hlwasser eintritt und nach oben str├Âmt, um die Brennstoffst├Ąbe zu k├╝hlen. Diese geben die durch die Spaltung von Urankernen entstandene thermische Energie an das K├╝hlwasser ab, welches dadurch verdampft. Dieser Dampf hat einen Druck von ca. 70 bar und treibt die Turbinen f├╝r den Generator an ( Abbildung zum Aufbau des Siedewasserreaktors im Anhang Seite 19, Abb. 19.1 ). Das Wasser dient aber auch als Moderator und bremst die Neutronen ab, damit neue Kernspaltungen m├Âglich sind. Da aber bei jeder Urankernspaltung zwei bis drei neue Neutronen frei werden, w├╝rde es zu einem gef├Ąhrlichen, ├╝berkritischen Verh├Ąltnis kommen. Dieser Zustand wird aber durch das Einfahren der Steuerst├Ąbe verhindert.
Ein gro├čer Nachteil des Siedewasserreaktors ist, dass das radioaktive Wasser, das die Brennst├Ąbe gek├╝hlt hat, auch die Turbinen antreibt. Bei anderen Reaktortypen ist dies nicht der Fall.



3.2.3 Der Druckwasserreaktor

Wie o. g. geh├Ârt der Druckwasserreaktor zu der Gruppe der Leichtwasserreaktoren. Ein typischer Druckwasserreaktor mit einer Leistung von 1300 MW besitzt im Reaktorkern ca. 200 Brennelementen mit jeweils 300 Brennst├Ąben. Das K├╝hlwasser im Prim├Ąrkreislauf hat einen Druck von ca. 150 bar und siedet deshalb nicht. ├ťber Rohrleitungen erhitzt dieses Prim├Ąrwasser in einem Dampferzeuger das Sekund├Ąrwasser, welches keinen so hohen Druck hat und deshalb verdampft. Dadurch werden die Turbinen f├╝r den Generator angetrieben. Das immer fl├╝ssige Prim├Ąrwasser k├╝hlt sich bei diesem Vorgang von ca. 330┬░C auf ca. 290┬░C ab, wird im Reaktorkern allerdings wieder auf 330┬░C erhitzt. Ein Druckbeh├Ąlter sorgt daf├╝r, dass der Druck immer gleich bleibt ( Abbildung zum Druckwasserreaktor im Anhang Seite 19, Abb. 19.2 ).
Die Steuerung des Reaktorkerns erfolgt zum einen durch kadmiumhaltige Steuerst├Ąbe, zum anderen wirkt das K├╝hlwasser als Moderator. Dieser Effekt des Prim├Ąrwassers wird dadurch unterst├╝tzt, dass das Wasser, je nach Bedarf, mehr oder weniger stark mit neutronenschluckender Borl├Âsung angereichert wird. Wenn sich der Reaktor zu stark erhitzt, nimmt die Dichte des Prim├Ąrwassers ab. Das hat zur Folge, dass das Wasser seine guten Moderatoreigenschaften verliert, die Neutronen deshalb nicht mehr so gut abgebremst werden und dadurch die Anzahl der energieliefernden Spaltungen zur├╝ckgeht. Das ganze System k├╝hlt sich damit wieder selbst ab.
Ein Vorteil des Druckwasserreaktors ist, dass das radioaktive K├╝hlwasser, das den Reaktorkern k├╝hlt, im Gegensatz zum Siedewasserreaktor, nicht direkt mit den Turbinen oder dem Sekund├Ąrwasser in Ber├╝hrung kommt sondern isoliert bleibt.



3.2.4 Der Brutreaktor ( Schneller Br├╝ter )

Der Vorgang, dass Uran - 238 - Atomkerne Neutronen einfangen und sich somit in leicht spaltbare, und zur Energiegewinnung heranziehbare Plutonium - 239 - Kerne wandeln, wird im Brutreaktor genutzt. Von den, bei der Spaltung von Plutonium - 239, frei werdenden zwei bis drei Neutronen wird nur eins zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion ben├Âtigt. Die restlichen Neutronen werden zum Teil von Uran - 238 - Kernen eingefangen, welche sich in Plutonium - 239 wandeln. Es wird also neuer Brennstoff "erbr├╝tet", im Idealfall mehr, als verbraucht wird.
Der Reaktorkern besteht aus Brennelementen, in denen die Energie erzeugt wird, und Brutelementen, in denen neuer Brennstoff erbr├╝tet wird. Da bei der Wandlung von Uran - 238 in Plutonium - 239 schnelle Neutronen besser als langsame sind, wird f├╝r den Prim├Ąrkreislauf an Stelle von neutronenbremsendem Wasser fl├╝ssiges Natrium verwendet, welches als schlechter Moderator hier besser geeignet ist. In einem Zwischenw├Ąrmetauscher gibt das Natrium aus dem Prim├Ąr - Natriumkreislauf seine thermische Energie an einen Sekund├Ąr - Natriumkreislauf ab. Dieser wiederum gibt seine thermische Energie in dem Dampferzeuger an Wasser ab, welches siedet und als Dampf die Turbinen f├╝r den Generator antreibt. ( Abbildung zum Brutreaktor im Anhang Seite 20, Abb. 20.1 )
Da die sonst wertlosen Uran - 238 - Kerne in gro├čen Mengen vorkommen, wird der Brutreaktor wahrscheinlich trotz technischer Schwierigkeiten in den n├Ąchsten Jahrzehnten eine gro├če Rolle bei der Energieerzeugung spielen, falls keine ungef├Ąhrlichere, billigere und ├Ąhnlich effiziente Art der Energiegewinnung gefunden wird. Der Brennstoff des Brutreaktors hat einen Plutonium - 239 - Gehalt von ca. 20 - 30% und einen Uran - 238 - Gehalt von ca. 70 - 80 %, also ca. zehn mal soviel spaltbares Material wie die anderen Reaktortypen.
Ein gro├čer Vorteil des Brutreaktors ist, dass das Uran - 238 ca. 60mal so gut ausgenutzt wird wie in normalen Reaktortypen. Ein weitere Vorteil ist, dass das K├╝hlmittel aus dem Reaktorkern, wie auch beim Druckwasserreaktor, nicht in Ber├╝hrung mit dem Wasser und somit der Turbine kommt, sondern isoliert bleibt.



3.2.5 Der Hochtemperaturreaktor ( Kugelhaufenreaktor )

Im Hochtemperaturreaktor wird neben Uran - 238 auch Thorium - 232 als Energierohstoff verwendet. Durch das Einfangen von Neutronen wandelt sich das Thorium - 232 in spaltbares Uran - 233. Der Brennstoff befindet sich in winzigen, beschichteten Partikeln, die in Graphitkugeln, von etwa der Gr├Â├če eines Tennisballs, eingeschlossen sind. Das Graphit bremst die Neutronen ab, da es, wie o. g., ein guter Moderator ist. Die thermische Energie, die im Reaktorkern entsteht, wird an ein Gas ( z. B. Helium ) abgegeben. Dieses Gas erhitzt sich auf ca. 900┬░C und l├Ąsst in einem Dampferzeuger Wasser sieden. Der Dampf treibt die Turbinen f├╝r den Generator an. ( Abbildung zum Hochtemperaturreaktor im Anhang Seite 20, Abb. 20.2 )
Der Hochtemperaturreaktor hat viele Vorteile, z. B. hat er einen hohen Wirkungsgrad und die hohen Temperaturen k├Ânnen der Industrie z. B. zur Kohlevergasung dienen. Auch bei diesem Reaktor kommt das K├╝hlmittel nicht mit den Turbinen in Ber├╝hrung.
















3.3 Das Wasserkraftwerk

3.3.1 Der allgemeine Aufbau von Wasserkraftwerken

In einem Wasserkraftwerk wird die Turbine nicht mit Dampf, sonder direkt mit dem Wasser angetrieben. Je nach Fallh├Âhe und Gr├Â├če der Wassermenge, gibt es verschiedene Turbinen, die eine Leistung von mehren hundert Megawatt bringen ( siehe Diagramm im Anhang Seite 21, Abb. 21.2 ).
Die wichtigsten Turbinenarten sind die Francis - Turbine, die Kaplan - Turbine und die Pelton - Turbine. Andere Turbinen sind z. T. f├╝r spezielle landschaftliche Gegebenheiten umkonstruierte Francis -, Kaplan - oder Pelton - Turbinen.



3.3.2 Die Francis - Turbine

Die Francis - Turbine wurde 1849 von dem angloamerikanischen Ingenieur James B. Francis konstruiert. Bei ihr wird das Wasser durch ein feststehendes " Leitrad " mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenl├Ąufig gekr├╝mmten Schaufeln des Laufrades gelenkt ( Abbildung zur Francis - Turbine im Anhang Seite 21, Abb. 21.1 ).
Da die Francis - Turbine einen Wirkungsgrad von ca. 90% hat und die am universellsten verwendbare Turbinenart ist, ist sie die heute am weitesten verbreitete Turbine. Die gr├Â├čten Francis - Laufr├Ąder haben ein Gu├čgewicht von ca. 150 t und eine Leistung von ├╝ber 700 MW.
Ein gro├čer Vorteil der Francis - Turbine ist, dass sie auch als Pumpe arbeiten kann. In Pumpspeicherkraftwerken wird die Turbine h├Ąufig mit dem Generator zu einer Pumpturbine kombiniert, die sich zwischen ( stromverbrauchenden ) Pumpbetrieb und ( stromerzeugenden ) Generatorbetrieb umstellen l├Ąsst.



3.3.3 Die Kaplan - Turbine

Die zu Beginn der 20er Jahre entwickelte der ├Âsterreichische Ingenieur Viktor Kaplan die nach ihm benannte Kaplan - Turbine. Die Kaplan - Turbine ist speziell f├╝r geringe Wasserdr├╝cke geeignet. Ihr Leitwerk lenkt das Wasser so, dass es parallel zur Welle der Turbine auf drei bis sechs Schaufeln des Laufrades trifft. ( Abbildung zur Kaplan - Turbine im Anhang Seite 21, Abb. 21.3 ) Da das Leitwerk und die Schaufeln des Laufrades verstellbar sind, kann die Kaplan - Turbine an Schwankungen der Wassermenge angepa├čt werden.
Ein gro├čer Vorteil der Kaplan - Turbine ist es, dass sie einen sehr hohen Wirkungsgrad von 80 bis 95 % hat. Ein Nachteil ist allerdings, dass selbst die gr├Â├čten Exemplare nur ein Leistung von knapp ├╝ber 100 MW haben.



3.3.4 Die Pelton - Turbine

Bei der 1880 von dem amerikanischen Ingenieur Lester Pelton konstruierten Freistrahl - oder Pelton - Turbine wird fast nur die potentielle Energie des Wassers genutzt. Sie gliedert sich in bis zu 40 Schaufelbl├Ątter, die jeweils aus zwei Halbschalen ( Becher ) bestehen. Das Wasser wird durch eine oder mehrere D├╝sen geleitet, so dass es unter hohen Druck tangential die Mitte der Halbschalen trifft. Da das Wasser hier um fast 180┬░ abgelenkt wird, gibt es fast seine komplette Energie an die Turbine ab ( Abbildung zur Pelton - Turbine im Anhang Seite 21, Abb. 21.4 und Abb. 21.5 ). Dieser Wasserstrahl hat bei einer Fallh├Âhe von 1000 m eine Geschwindigkeit von ca. 500 km/h. Da die kinetische Energie des Wasserstrahls von der Fallh├Âhe abh├Ąngt, kommt die Pelton - Turbine fast nur in Hochgebirgen vor.
Ein gro├čer Vorteil der Pelton - Turbine ist, das auch kleine Gebirgsb├Ąche genutzt werden k├Ânnen. Sie hat eine Leistung von bis zu 600 MW.



3.3.5 Das Pumpspeicherkraftwerk

Wie bereits unter 3.3.2 erw├Ąhnt, wird die Francis - Turbine auch in Pumpspeicherkraftwerken verwendet. Ein solches Kraftwerk besteht aus einem Ober - und einem Unterbecken, welche durch eine Rohrleitung verbunden sind. Das Wasser flie├čt aus dem h├Âher gelegenen Oberbecken in das Unterbecken und treibt die Pumpturbine an. In Spitzenverbrauchszeiten kann somit dem Netz zus├Ątzlich Strom zugef├╝hrt werden. W├Ąhrend der Nachtstunden, wenn dem Netz wenig Energie entnommen wird, nutzt man diese, um das Wasser wieder in das Oberbecken zur├╝ck zu pumpen.
Der Vorteil von Pumpspeicherkraftwerken ist, dass Wechselstrom in Form von Wasser "gespeichert" werden kann, und in Spitzenzeiten die normalen Kraftwerke entlastet werden k├Ânnen. Es hat einen Wirkungsgrad von ca. 75%.



3.3.6 Verbreitung von Wasserkraftwerken

Die Nutzung der Wasserkraft ist stark von der Topographie eines Landes abh├Ąngig. Norwegen erzeugt beispielsweise 99% seines Stroms aus Wasserkraft, Deutschland nur 4% und die Niederlande sogar nur 0,2%. Da Deutschland aber schon ca. 70% der Wasserkraft nutzt, ist nur noch eine geringe Steigerung m├Âglich.
Das weltweit gr├Â├čte Wasserkraftwerk ist das Kraftwerk Itaip├║ am Paran├í in Brasilien mit einer Leistung von ca. 12.600 MW.















3.4 Das Windkraftwerk

Das Windkraftwerk verf├╝gt, im Gegensatz zu den meisten anderen Kraftwerken, ├╝ber einen Rotor statt einer Turbine. Der Generator wird also direkt vom Wind angetrieben. Es gibt zwei Arten von Windkraftwerken: Anlagen mit horizontaler Achse und mit vertikaler Achse.
Bei Anlagen mit horizontaler Achse treibt der Wind den Rotor an, an dem die Rotorwelle befestigt ist. In der direkt hinter dem Rotor befindlichen Gondel befindet sich das Getriebe, wo die Bewegung der Rotorwelle auf die Generatorwelle abgegeben wird. Falls sich der Rotor zu schnell dreht, wird er vor dem Getriebe durch eine Bremse verlangsamt ( Abbildungen zum Aufbau des Windkraftwerks im Anhang Seite 22, Abb. 22.1 und Abb. 22.2 ).
Der Rotor wird computergesteuert in den Wind gedreht, bei zu hoher Windgeschwindigkeit automatisch aus dem Wind gedreht.
Die gebr├Ąuchlichste Anlage mit vertikaler Achse ist der Darrieus - Rotor. Er sieht in etwa wie ein gro├čer Schneebesen aus. Der Vorteil solcher Anlagen ist, dass sie unabh├Ąngig von der Windrichtung sind, allerdings kann der Darrieus - Rotor nicht selbst anlaufen, er wird deshalb mit leicht anlaufenden Savonius - Rotoren kombiniert.
Moderne Windanlagen nehmen meistens bei einer Windgeschwindigkeit von 19 km/h den Betrieb auf, erreichen ihre Nennleistung bei 40 bis 48 km/h und brechen den Betrieb bei 100 km/h ab.
Ein gro├čer Vorteil von Windkraftwerken ist, dass sie kaum Schadstoffe freisetzen. Gro├če Nachteile sind allerdings der entstehende L├Ąrm und die nervliche Belastung f├╝r die Bewohner nahegelegener H├Ąuser durch das h├Ąufige Wechseln von Licht und Schatten beim Drehen der gro├čen Rotorbl├Ątter vor der Sonne.


























4 Stromerzeugung ohne Generator - Die

Solarzelle


Die Solarzelle ist ein Minikraftwerk, in dem nicht wie im herk├Âmmlichen Sinne Strom mit Hilfe eines Generators erzeugt wird. Die Energie des Sonnenlichtes wird in einer Solarzelle in Strom umgewandelt.
Dieser Vorgang der Stromerzeugung hei├čt Photovoltaik. Eine Solarzelle besteht aus einer positiv und einer negativ dotierten Siliziumschicht. Silizium ist ein Halbleiterelement, das hei├čt, dass es mit zunehmender Temperatur seine Isolator - Eigenschaften verliert und sich zu einem Stromleiter wandelt. Wird das 4 - wertige Silizium nun mit einer sehr geringen Menge 5 - wertigen Phosphors bzw. 3 - wertigen Bors "verunreinigt", entsteht ein Elektronen├╝berschu├č ( negativ geladen ) bzw. ein Elektronenmangel ( positiv geladen ). Dies f├╝hrt dazu, dass es seinen elektrischen Widerstand unter W├Ąrme - oder Lichteinwirkung verringert und ein besserer Stromleiter wird. In der Solarzelle wirkt die Kontaktfl├Ąche zwischen dem positiv und dem negativ geladenen Silizium als Sperrschicht, dass hei├čt, sie k├Ânnen sich nicht ausgleichen. In wie weit Elektronen diese Sperrschicht allerdings doch ├╝berwinden k├Ânnen h├Ąngt von der St├Ąrke und der Richtung des Stroms ab. Die Elektronen k├Ânnen die Sperrschicht auch leichter von der negativ zur positiv geladenen Seite ├╝berwinden als andersherum.
Dieser physikalische Nebeneffekt wird bei Dioden und Transistoren ausgenutzt.
Wirkt Licht auf die Solarzelle ein, k├Ânnen sich die entstehenden positiven und negativen Ladungen nicht ausgleichen und werden durch Kontakte abgegriffen und als Strom genutzt ( Abbildung zur Solarzelle im Anhang Seite 23, Abb. 23.1 ).
Eine Solarzelle kann theoretisch einen Wirkungsgrad von 43% haben, in der Praxis betr├Ągt er allerdings nur 13 bis 15%, unter g├╝nstigen Bedingungen auch 18%.
Ein gro├čer Vorteil der Photovoltaik ist, dass keinerlei Schadstoffe freigesetzt werden.
Nachteile sind allerdings die hohen Herstellungskosten und die Jahreszeiten - abh├Ąngigkeit. Nachteilig ist auch, dass die Leistung h├Âchstens 1kW/m┬▓ betr├Ągt.



















5 Quellenverzeichnis

Es wurden keinerlei Zitate verwendet.















































6 Literaturverzeichnis


Dr. Erich ├ťbelacker: Was ist Was Band 3: Atomenergie, N├╝rnberg / Hamburg
Tessloff Verlag, 1988

Karl - Heinz Ahlheim ( Leiter ): Sch├╝lerduden: Die Physik, Mannheim / Wien / Z├╝rich
Dudenverlag, 1989, 2. Auflage

Udo Leuscher: Stombasiswissen Nr. 107: Strom aus Wasserkraft, Frankfurt / M.,
Informationszentrale der Elektrizit├Ątswirtschaft e. V., 1995

Udo Leuscher: Stombasiswissen Nr. 110: Strom aus Sonnenlicht ( Photovoltaik ),
Frankfurt / M., Informationszentrale der Elektrizit├Ątswirtschaft e. V., 1994

Gasch, Robert ( Herausgeber ): Windkraftanlagen, Stuttgart, B. G. Teubner Verlag,
1991, 1. Auflage

Microsoft┬« Encarta┬« 97 Enzyklop├Ądie ( CD - ROM ) ┬ę 1993 - 1996 Microsoft
Corporation

Ernst H├Ârnemann, Heinrich H├╝bscher, Dieter Jagla, Joachim Larisch,
Wolfgang M├╝ller, Volkmar Pauly, Karl - Heinz Schiffl: Elektrotechnik Fachbildung
Industrieelektronik, Braunschweig, Westermann Schulbuchverlag, 1995 1. Auflage

Informatonsbrosch├╝re "Heizkraftwerk Jena - S├╝d" von der TEAG Th├╝ringer
Energie AG

























7 Anhang





















16.1 Der Au├čenpolgenerator 16.2 Der Innenpolgenerator




















16.3 Der Drehstromgenerator ( stark vereinfacht )

















17.1 Entstehung der Sinuskurve











17.2 Die drei Sinuskurven des Drehstromgenerators












17.3 Die Dreieckschaltung


















































18.1 Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen



































19.1 Der Siedewasserreaktor



























19.2 Der Druckwasserreaktor























20.1 Der Brutreaktor ( Schneller Br├╝ter )


























20.2 Der Hochtemperaturreaktor ( Kugelhaufenreaktor )











21.1 Die Francis - Turbine











21.2 Diagram zur Leistung 21.3 Die Kaplan - Turbine
verschiedener Turbinen


















21.4 Die Pelton - Turbine 21.5 Laufrad einer
Pelton - Turbine
































22.1 Das Windkraftwerk























22.2 Die Gondel des Windkraftwerks
























23.1 Die Solarzelle



























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