Stromerzeugung
Mittlerweile gibt es für die Erzeugung elektrischer Energie, welche eigentlich als Umwandlung anderer Energieformen in elektrische Energie bezeichnet werden sollte, diverse Methoden. Einige dieser Methoden geraten mit zunehmender Diskussion um den Umweltschutz eher ins Hintertreffen während besonders die Sparte der erneuerbaren Energien einen starken Aufschwung erlebt. Dazu gehören Methoden wie die Stromerzeugung durch Photovoltaikzellen oder die Gewinnung der elektrischen Energie aus Windkraft. Auch die Energiegewinnung mit Hilfe von Wasserkraftwerken rückt immer weiter ins Interesse, da auch diese zu den erneuerbaren Energien zählt, obwohl sie bereits eine recht alte Technologie ist.
Konvertionelle Stromerzeugung
Wärmekraftwerke
Häufig eingesetzte Kraftwerke zur Stromerzeugung sind die Wärmekraftwerke. Die dahinter steckende Technologie ist recht simpel. Ein großer, geschlossener Wasserkessel wird durch Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Biomasse, Uran oder Gas erhitzt. Das Wasser beginnt zu kochen und verdampft. Da Wasser im gasförmigen Aggregatzustand eine weitaus geringere Dichte hat als im flüssigen Zustand, entsteht im Wasserkessel ein hoher Druck. Der einzige sich bietende Ausgang aus dem Kessel ist eine Turbine, welche zu rotieren anfängt, sobald sich der Wasserdampf hindurchdrückt. Diese Turbinen sind an Generatoren gekoppelt, welcher die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandeln. Dabei wird eine Spannung von maximal 27kV erzeugt, welche durch einen Transformator in eine Spannung von etwa 400kV umgewandelt wird, die dann für den Transport in das öffentliche Stromnetz bereit steht. Der Wasserdampf wird abgekühlt und größtenteils dem System wieder beigeführt. Die entstandenen Abgase des Verbrennungsvorganges der fossilen Brennstoffe werden abgekühlt und in die Umwelt abgegeben.
Gasturbinen-Kraftwerk - Dampfturbinen-Kraftwerk
Wegen dieser hohen Umweltbelastung stehen die Wärmekraftwerke in Umweltschützerkreisen stark in Verruf. Trotz diesem schlechten Ruf sollen weitere Kraftwerke dieser Art in Deutschland gebaut werden. Die neueren Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD) bedienen sich gleich zweierlei Antriebsarten für die Turbinen. Zum Einen wird eine Gasturbine mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen wie Heizöl, Erdgas oder Biogas betrieben. Dabei wird sowohl Rotationsenergie erzeugt, welche dann in elektrische Energie umgewandelt wird, als auch heiße Abgase ausgestoßen. Diese werden wiederum zur Erhitzung eines Wasserdampfkesselsystems eingesetzt, welches wie eben beschrieben funktioniert. Die Stromerzeugung findet also sowohl in der Gasturbinen- als auch in der Dampfturbineneinheit statt. Auch hier ist die Umweltbelastung durch die hohe CO2-Emission, welche bei der Verbrennung entstehen, sehr hoch.
Blockheizkraftwerk
Beim Blockheizkraftwerk (Kraft-Wärme-Kopplung) kommen ebenfalls Gasturbinen oder Diesel- und Gasmotore zum Einsatz. Der eigentliche Unterschied besteht aber in der Nutzung der Abwärme der Stromerzeugung direkt am Ort der Entstehung, denn der Transport von Wärme über größere Strecken ist nicht sinnvoll. Blockheizkraftwerke werden vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrachs betrieben und erreichen so einen Wirkungsgrad von bis zu 90%. Je nach Anlagengröße lassen sich in einem Blockheizkraftwerk 25% - 50% der Primärenergie in Strom und der Rest in Wärmeenergie umwandeln.
Kernkraftwerk - Atomkraftwerk
Eine weitere, sehr häufig eingesetzte und gleichzeitig sehr effektive Methode der Stromerzeugung ist der Betrieb von Kernkraftwerken, auch Atomkraftwerke genannt. Hierbei wird angereichertes Uran-235 in dünnen, länglichen Stäbchen angeliefert. Die Anreicherung und Anlieferung ist hierbei recht problematisch, da Uran-235 äußerst energieintensiv ist und eine große Gefahr für die Umwelt darstellt. Der Transport erfolgt daher ausschließlich in Sicherheitsbehältern. Die angelieferten Brennstäbe, welche zu Brennelementen zusammengefasst sind, werden in den Reaktor eingesetzt. Hier werden sie mit Neutronen beschossen, was dazu führt, dass die Uranatome gespalten werden und große Mengen an Wärmeenergie freisetzen. Gleichzeitig werden bei der Spaltung der Uranatome wieder Neutronen freigesetzt, die weitere Uranatome spalten. Diese Kettenreaktion endet erst dann, wenn keine weiteren spaltungsfähigen Atome mehr vorhanden sind.
Zwischen den Brennstäben befindet sich Wasser, welches durch die freiwerdende Energie zu sieden beginnt. Die Einheit aus Brennstäben und dazwischen befindlichem Wasser wird als Kernreaktor bezeichnet. Der entstehende Wasserdampf wird über Leitungen zu Turbinen gebracht, welche durch den Dampf angetrieben werden. Auch hier wird durch einen Generator die Rotationsenergie der Turbine in elektrische Energie umgewandelt. Häufig werden auch mehrere Turbinen mit unterschiedlich großen Schaufelblättern hintereinander, also in Reihe, geschaltet. Das führt zu einer Erhöhung der Effizienz. Der Wasserdampf wird wie beim Wärmekraftwerk wieder abgekühlt und zurück in den normalen Kreislauf des Systems geführt, wodurch der Wasserverbrauch nahezu gegen Null geht.
Die Umweltaspekte sind beim Atomkraftwerk sehr kontrovers diskutierbar. Sofern das Atomkraftwerk problemlos und ohne Zwischenfälle läuft, ist es äußerst umweltfreundlich. Die meisten heutigen Atomkraftwerke sind auf einem sehr modernen Stand der Technik und bieten einen hohen Schutz gegen Unfälle. Vergleicht man ein solches Kraftwerk der 1000 MW - Klasse mit einem gleichwertigen Kohlekraftwerk, so wird die unterschiedliche Bedeutung im Falle des reibungslosen Betriebes schnell deutlich. Das Kernkraftwerk benötigt jährlich etwa 50 Tonnen Uran, während das Kohlekraftwerk 1,5 Millionen Tonnen Kohle verbrennt. Daher ist auch die CO2-Emission pro erzeugter Kilowattstunde Strom des Atomkraftwerkes verschwindet gering gegenüber der Emission des Kohlekraftwerkes. Ein Braunkohlekraftwerk erzeugt pro produzierter Kilowattstunde Strom 1153 Gramm CO2. Ein Kernkraftwerk kommt da gerade einmal auf 32 Gramm CO2 pro erzeugter Kilowattstunde Strom.
Nachteilig an der Stromproduktion mittels Atomenergie ist natürlich die Gefahr, dass Uran auf irgendeinem Wege austritt und die Umwelt so unverhältnismäßig stark belastet. Ein extremes Beispiel dafür ist die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl. Auch die Entsorgung der Radioaktiven Abfälle ist ein heikles Thema. Da Uran-235 eine Halbwertszeit von über 700 Millionen Jahren hat, kann es nicht so einfach unschädlich gemacht werden und zerfällt selbstständig nur äußerst langsam. Daher ist es vonnöten, den atomaren Abfall irgendwo zu lagern, wo er keinen Schaden anrichten kann. Die Orte hierfür sind allerdings begrenzt, so dass noch nicht abzusehen ist, was mit dem radioaktiven Abfall in einigen Jahren geschehen soll.
Alternative Stromerzeugung
Deutlich gefragter sind daher heutzutage Stromerzeugungsmöglichkeiten, welche der Umwelt nicht schaden. Auf diesem Sektor gibt es schon einige interessante Technologien.
Windkraftanlagen
Zum Einen wäre da zum Beispiel die Möglichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie. Dabei werden Windräder vom Wind angetrieben und in Drehung versetzt. Diese Rotationsenergie wird dann mit Hilfe eines Generators in elektrischen Strom umgewandelt. Im Jahr 2007 konnten auf diese Art und Weise 39,5 TWh Strom erzeugt werden. Die Erzeugung von Strom durch Windenergie nimmt unter den Technologien der regenerativen Energien den größten Teil mit etwa 45% ein. Ein Problem ist allerdings die Lebensdauer der Windkraftanlagen. Aufgrund der großen mechanischen Belastung ist die Haltbarkeit dieser Windräder eingeschränkt und sie bringen während ihrer Lebenszeit nicht genug Umsatz bezogen auf die Baukosten um wirklich als rentabel für die freie Marktwirtschaft bezeichnet werden zu können.
Biogasanlage
Die Methode der Stromerzeugung mittels Biogas in sogenannten Biogasanlagen nimmt mit 27% auch einen großen Anteil an der mit Hilfe von regenerativen Energien erzeugten Energie ein. Dabei werden in einem geschlossenen Behälter biologische Abfälle, die sogenannte Biomasse gesammelt. Mit Hilfe von Mikroorganismen wird diese zersetzt, wobei ein methanhaltiges Gas, das Biogas entsteht. Mit diesem Gas können Generatoren angetrieben werden, die elektrischen Strom erzeugen. Der entstehende Druck in den Biogasbehältern kann immens groß werden und wird oft unterschätzt. Bei einer nicht ausreichend bemessenen Konstruktion kann es im schlimmsten Fall zu einer Explosion kommen, die für Mensch und Material nicht ungefährlich ist. Bei professioneller Installation sind diese Faktoren allerdings mit ausreichender Sicherheit einberechnet, so dass der Betrieb von Biogasanlagen durchaus als sicher bezeichnet werden kann.
Abgesehen vom Anbau- und Erntevorgang ist der Betrieb einer Biogasanlage CO2-neutral, es wird also nicht mehr CO2 in die Atmosphäre abgegeben, als die verwendeten Biostoffe vorher aufgenommen haben. Die Leistung ist gut steuerbar, so dass bei geringem Bedarf einfach weniger Strom produziert werden kann, was bei großen Kohle- oder Atomkraftwerken nicht ganz so einfach möglich ist. Diese Kraftwerke müssen dauerhaft laufen, können aber in Zeiten schwacher Abnahme (zum Beispiel nachts) auf eine geringe Produktion heruntergefahren werden. Der dann erzeugte Strom wird häufig sehr günstig verkauft, was den Stromanbietern eine interessante Preisstruktur ermöglicht. Viele Tarife mit gesonderten Preisen für Stoß- und sonstige Zeiten sind mittlerweile keine Seltenheit mehr.
Wasserkraftwerk
Eine recht alte, aber dennoch sehr gefragte Form der erneuerbaren Energie ist die Wasserkraft. In großen Talsperren werden riesige Mengen an Wasser gesammelt. Das geschieht häufig in Gegenden, in denen es im Sommer zur Gletscherschmelze kommt und so ohne größere Probleme riesige Mengen Wasser gespeichert werden können. Solche Stauseen sind häufig in mehreren Etagen eingerichtet. Das Wasser aus der obersten Etage wird abgelassen in die nächst niedrigere Etage. Dabei fließt es durch eine Turbine, welche an einen Generator gekoppelt ist, der Strom erzeugt. Auch diese Art der Stromproduktion ist sehr gut steuerbar.
Viele dieser Wasserkraftwerke dienen als Aushilfe für die großen Atom- und Kohlekraftwerke und unterstützen deren Leistung in Stoßzeiten. Der überschüssige Strom, den Atom- oder Kohlekraftwerke nachts erzeugen wird dann zu absoluten Niedrigpreisen von einigen Betreibern der Wasserkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerk) aufgekauft und genutzt, um Wasser aus den unteren Etagen wieder zurück in höhere Ebenen zu pumpen. So kann sehr wirtschaftlich mit dem überschüssigen Strom umgegangen werden. Es ist sogar schon vorgekommen, dass der überschüssige Strom nachts umsonst angeboten wurde, weil sich kein Abnehmer fand. Bei Wasserkraftwerken gibt es praktisch keine CO2-Emission. Die genutzte Energie stammt auch hier ausschließlich von der Sonne. Die Sonne lässt Wasser verdampfen, welches in Wolken über die Gebirge getragen wird und dort abregnet und festfriert. Taut dieses Eis im Sommer auf, fließt es in die Talsperren hinein. Die genutzte Energie ist also potenzielle, sprich Lageenergie. Darüber hinaus werden Wasserkraftwerke auch an fließenden Gewässern oder im Meer (Gezeitenkraftwerke) betrieben.
Ökostrom
Bei vielen Energieversorgern und Stadtwerken kann der Kunde wählen, auf welche Art und Weise sein Strom produziert werden soll. Die Auswahl besteht häufig zwischen recht günstigem "normalem" Strom und dem teureren Ökostrom, welcher nicht mit Hilfe von fossilen Brennstoffen, sondern mit Methoden der regenerativen Energiegewinnung gewonnen wird. Der letztendlich beim Endverbraucher ankommende Strom ist dann natürlich nicht unbedingt genau der, den er auch bezahlt. Aber mit seiner Entscheidung für Ökostrom wächst der Anteil von Ökostrom an der Gesamtstrommenge im deutschen Stromnetz.