Vom Energieträger zur Steckdose

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Einleitung

In meinem ersten Artikel möchte ich zunächst einmal das Grundthema der Energieversorgung aufgreifen und erklären wie kommt denn z.B das Kohlestück das Jahrmillionen Jahre unter der Erde lag in eure Steckdose als nutzbare elektrische Energie an. Dabei werde ich versuchen alle relevanten Wertschöpfungsschritte kurz zu erläutern, auf tiefergehende Details soll hier nicht näher eingegangen werden, dies soll dann ein Thema eines anderen Beitrages sein.

Das Thema der Primärenergie

Am Anfang der Wertschöpfungskette steht die Primärenergie, sie ist laut Definition die in der Energiequelle vorhandene Energie wie z.B. die schon erwähnte Kohle aber eben auch die sogenannten regenerativen Energiequellen können hier als Primärenergie bezeichnet werden [1, p. 6]. Im Weitern soll hier der Energieträger Kohle als Beispiel dienen, um so die Prozessschritte zu erklären. Kohle deswegen da dieser in Deutschland und insbesondere im Ruhegebiet (mein Heimatort) der Traditionellste Energieträger ist und da er 2014 zu 43,6 Prozent (Stein-/ Braunkohle) am deutschen Strommix beteiligt war [2].

Die Prozessschritte bis zum Strom

Kohle wird normalerweis in Bergwerken abgebaut (bei Braunkohle am Tagebau), wenn nun die Kohle abgetragen worden ist und diese physisch vorhanden ist wird sie zum Kraftwerk transportiert, bei Braunkohle liegt dieses meist in der Nähe des Bergbaus bei der Steinkohle kann dieses schon mal weitere Strecken zurücklegen. Nach dem Transport wird die Kohle bis zur Verwertung gelagert (oft noch getrocknet). Wenn nun Energiebedarf vorhanden ist (je nach Fahrplan des jeweiligen Kraftwerkes) wird der Kraftwerksprozess gestartet der grob sich aus den Schritten Verbrennung, Verdampfung und Umwandlung gliedert (Abbildung 1).

Abbildung 1 Vereinfachter Kraftwerksprozess

Abbildung 1 Vereinfachter Kraftwerksprozess

Am Anfang des Prozesses steht eine Speisewasserpumpe diese erzeugt beim Trägermedium (hier ist es Wasser bzw. Wasserdampf) einen Druck von 200 bis 300 bar (1). Nun wird das Wasser durch ein Leitungssystem durch den Kessel (2) geleitet damit das Wasser so viel Wärme aufnehmen kann wie möglich dadurch entsteht Nassdampf. In einem Überhitzer wird das Wasser noch weiter erhitzt bis es zu 600 °C erreicht, ab hier spricht man von Heißdampf. Der Dampf wird dann durch die Turbinen (3) geleitet und es erfolgt eine Entspannung des Dampfes, die Turbine erzeugt aus der Thermischen Energie des Dampfes mechanische Energie und durch die Welle an der Turbine wird daraus elektrische Energie mit Hilfe eines Synchrongenerators. Anschließend wird der Dampf durch einen Kondensator (4) geführt wo er die Energie an den Kühlturm abgibt damit diese aus den Prozess abgeschieden wird. Dies ist nötig damit das Wasser wieder flüssig wird und durch die Speisewasserpumpe geführt werden kann, an dieser Stelle stellt sich die Frage ob es nicht auch mit Dampf im gesamten Prozess gearbeitet werden könnte. Dies lässt sich einfach mit einem nein beantworten, da ansonsten anstelle einer Pumpe ein Verdichte benötigt werden würde, dies würde die gewonnene Kondensationswärme wieder verbrauchen. Die bessere Lösung wäre ein Wärmetauscher umso die Wärmeenergie in das Fernwärmenetz einzuspeisen, was teils mit Kraftwerken auch gemacht wird. Der Prozess fängt nun von vorne an. Stand der Technik für Kohle befeuerte Kraftwerke ist ein Wirkungsgrade von bis zu η = 43 [3] Prozent und gängige Leistungen liegen bei ca. 115 Megawatt (deutscher Durchschnitt) [4].

Vom Kraftwerk zur Steckdose

Der nun erzeugte Strom (Drehstrom), welcher eine Sekundärenergie darstellt, muss nun übertragen bzw. verteilt werden. Diese Aufgabe erfolgt über die Übertragungs- oder eben Verteilnetze. Der Strom wird hierzu in die Hochspannung (220 Kilovolt und 110 Kilovolt) bzw. in die Höchstspannungsebene (380 Kilovolt) eingespeist [5], die gewählte Spannungsebene ist abhängig von der Leistung des Kraftwerkes und der Entfernung wie weit diese übertragen werden soll. Die elektrische Energie fließt nun im Netz, dies ist möglich durch die Spannungsunterschiede im Netz, somit fließt er in Richtung kleinerer Spannungsebene, die dann die Mittelspannung und die Niederspannung darstellt. Die Mittelspannung ist für die Verteilung von der Stadt zu den einzelnen Wohnblocks zuständig. An den Wohnblocks wird die Spannung in Ortsnetzstationen noch einmal auf 230 V auf die Niederspannungsebene runter transformiert. Diese kann dann durch einen Hausanschluss im Hausnetz durch Verbrauchern abgenommen werden. Der Strom das am Haushalt bereitgestellt wird als Endenergie bezeichnet. Dabei ist im normalen Haushalt ein einphasiger Verbrauch üblich, also das nur eine Phase und der Nullleiter angeschlossen wird um Haushaltsgeräte zu nutzen. Wenn nun Zuhause der Fernseher eingeschaltet wird, wandelt man die Energie ein letztes Mal von der Endenergie in eine beliebige Nutzenergie, wie z.B der erwähnte Fernseher.

Zusammenfassung

Die Aufgezeigten Schritte der Wertschöpfungskette sind oberflächlich zunächst die Kohleförderung, die Verbrennung und Umwandlung der Kohle in Strom und eine anschließend mehrfachte Transformation der Spannung um diese für die jeweiligen Endkunden zugänglich zu machen. Das dargestellt Beispiel war nur eines von vielen Möglichkeit der gegenwärtigen Stromerzeugung, andere Arten (insbesondere regenerative) unterscheiden sich im Detail deutlich.

Nun seid ihr Gefragt, habt ihr noch Anregung, Kritik oder Fragen?

Diskutiert doch in den Kommentaren.

Quellen:

[1] K. Heuck, K.-D. Dettmann und D. Schulz, Elektrische Energieversorgung, Wiesbaden: Vieweg +Teubner Verlag, 2010.
[2] „Strommix in Deutschland 2014,“ Agentur für Erneuerbare Energien, 7 Januar 2015. [Online]. Available: http://www.unendlich-viel-energie.de/strommix-deutschland-2014. [Zugriff am 2015 November 2015].
[3] RWE AG, „Kohle- und Gaskraftwerke,“ [Online]. Available: http://www.rwe.com/web/cms/de/183542/rwe/innovation/projekte-technologien/kraftwerke/fossil-gefeuerte-kraftwerke/.
[4] Bundesnetzagentur, „Kraft­werks­lis­te,“ [Online]. Available: http://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/ElektrizitaetundGas/Unternehmen_Institutionen/Versorgungssicherheit/Erzeugungskapazitaeten/Kraftwerksliste/kraftwerksliste-node.html.
[5] Deutsches Institut für Normung, DIN VDE 0175 CENELEC-Normspannungen, VDE Verlag, 2012.

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