Elektrische Energieversorgung: Kraftwerke, Hochspannung und Netz
Du schaltest abends das Licht ein, und es leuchtet sofort. Dahinter steht ein großer Aufwand: Irgendwo dreht sich eine Turbine, und Leitungen führen die Energie über viele Kilometer zu dir.
Zwei Besonderheiten machen es schwierig. Elektrische Energie lässt sich in großen Mengen kaum aufbewahren, das Netz muss also in jedem Augenblick genau so viel liefern, wie alle Verbraucher abrufen. Und in den Leitungen geht Energie verloren.
Du lernst, wie Kraftwerke elektrische Energie bereitstellen, warum man mit Hochspannung überträgt und wie das Netz Erzeugung und Verbrauch im Tagesverlauf zusammenbringt.
Kraftwerksprozess und Wirkungsgrad
Ein Kraftwerk wandelt eine Energieform in elektrische Energie um. Energie wird dabei nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt. Die meisten großen Kraftwerke sind Wärmekraftwerke. Ihr Kraftwerksprozess ist eine Energieübertragungskette:
chemische Energie des Brennstoffs → thermische Energie des Dampfs → Bewegungsenergie der Turbine → elektrische Energie
Im Kessel verbrennt zum Beispiel Kohle, Erdgas oder Biomasse. (Bei einem Kernkraftwerk stammt die Wärme aus einer Kernreaktion, die eine spätere Lektion erklärt.) Die Wärme verdampft Wasser unter hohem Druck. Der Dampf treibt die Turbine an, ein Schaufelrad. Die Turbine dreht den Generator, in dem durch Induktion die Spannung entsteht. Danach kühlt Kühlwasser den Dampf wieder zu Wasser ab, das in den Kessel zurückfließt.
Die Kühlung ist nötig: Eine Wärmekraftmaschine kann Wärme nie vollständig in Bewegungsenergie umwandeln. Ein Teil muss als Abwärme an die Umgebung gehen, zum Beispiel über einen Kühlturm. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Leistung als nutzbare Leistung ankommt:
Ein Kohlekraftwerk
Ein Kohlekraftwerk
Ein Kohlekraftwerksblock nimmt mit der Kohle eine Leistung von 1500 MW auf und gibt 600 MW elektrische Leistung ab. Wie groß sind Wirkungsgrad und Abwärmeleistung?
Wirkungsgrad: 600 MW : 1500 MW = 0,40, also 40 %.
Die übrigen 1500 MW − 600 MW = 900 MW gehen als Wärme an Kühlwasser, Luft und Abgas.
Kraftwerksarten
Kraftwerke unterscheiden sich in ihrer Energiequelle. Nicht alle gehen den Umweg über Wärme.
| Kraftwerk | Energiequelle | Energieübertragungskette |
|---|---|---|
| Kohle-, Gas-, Biomassekraftwerk | Brennstoff | chemisch → thermisch → Bewegung → elektrisch |
| Wasserkraftwerk | Wasser in der Höhe oder in Bewegung | Lage- oder Bewegungsenergie → Turbine → elektrisch |
| Windkraftanlage | Wind | Bewegungsenergie des Windes → Rotor → elektrisch |
| Photovoltaikanlage | Sonnenlicht | Strahlungsenergie → elektrisch, ohne Turbine und Generator |
Bei Wasser, Wind und Sonne gibt es keinen Brennstoff und keine Abwärme aus einem Dampfprozess. Ein Gas-und-Dampf-Kraftwerk nutzt die Abgase einer Gasturbine für eine zweite Turbine und kommt auf bis zu etwa 60 %.
Hochspannungsübertragung
Das Kraftwerk gibt die Leistung ab. Bei gleicher Leistung gehört zu einer höheren Spannung eine kleinere Stromstärke. Das nutzt man bei der Fernübertragung: Transformatoren erhöhen die Spannung auf Hochspannung, am Ziel senken sie sie wieder. Transformatoren arbeiten nur mit Wechselspannung.
Warum sich das lohnt, zeigt die Verlustleistung. Die Leitungen haben einen Widerstand . Fließt die Stromstärke hindurch, wird ein Teil der Energie in der Leitung zu Wärme. Aus und dem Spannungsabfall an der Leitung folgt für die Verlustleistung:
Verlust bei 100 kV und bei 400 kV
Verlust bei 100 kV und bei 400 kV
Ein Kraftwerk gibt 100 MW (100 000 000 W) an eine Leitung ab. Die Leitung hat angenommen einen Widerstand von 4 Ω. Berechne Stromstärke und Verlustleistung bei 100 kV und bei 400 kV. Vereinfachend sei die Spannung am Anfang der Leitung die Betriebsspannung.
Bei 100 kV: Stromstärke I = P : U = 100 000 000 W : 100 000 V = 1000 A. Verlust: 4 Ω mal (1000 A)² = 4 000 000 W = 4 MW. Das sind 4 % der Leistung.
Bei 400 kV: I = 100 000 000 W : 400 000 V = 250 A. Verlust: 4 Ω mal (250 A)² = 250 000 W = 0,25 MW. Das sind 0,25 %.
Vierfache Spannung heißt: ein Viertel der Stromstärke und ein Sechzehntel des Verlusts, weil die Stromstärke quadratisch eingeht.
Verbundnetz und Spannungsebenen
Im Verbundnetz sind viele Kraftwerke und Verbraucher über Leitungen verbunden, in Europa über Ländergrenzen hinweg. Fällt ein Kraftwerk aus, springen andere ein. Das Netz ist in Spannungsebenen gegliedert (Werte für Deutschland):
| Ebene | Spannung | Aufgabe |
|---|---|---|
| Höchstspannung | 220 kV und 380 kV | Fernübertragung |
| Hochspannung | 110 kV | Verteilung in der Region |
| Mittelspannung | etwa 10 bis 20 kV | Verteilung in Orten und Betrieben |
| Niederspannung | 230 V | Haushalte (Steckdose) |
Im Netz bleibt kaum Energie gespeichert. Erzeugung und Verbrauch müssen deshalb in jedem Augenblick gleich groß sein. Die Netzfrequenz von 50 Hz zeigt, ob das stimmt: Wird zu wenig erzeugt, sinkt sie leicht, wird zu viel erzeugt, steigt sie.
Tageslastkurve
Der Stromverbrauch schwankt im Tagesverlauf. Die Tageslastkurve trägt die Leistung, die alle Verbraucher zusammen abrufen (die Last), über der Uhrzeit auf. Nachts ist sie am niedrigsten, tagsüber am höchsten. Den Mindestwert, der rund um die Uhr gebraucht wird, nennt man Grundlast. Was darüber liegt, heißt Mittellast, und kurze Höchstwerte heißen Spitzenlast.
Die Grundlast decken Kraftwerke, die dauernd laufen und sich nur langsam regeln lassen, etwa Braunkohle- und Laufwasserkraftwerke (am fließenden Fluss). Spitzen decken Kraftwerke, die sich schnell zuschalten lassen, etwa Gasturbinen oder Wasserkraftwerke mit Speicherbecken. Wind- und Solaranlagen liefern, wenn der Wind weht und die Sonne scheint, unabhängig von der Last. Die übrigen Kraftwerke müssen die Lücke füllen.
Energie eines Tages
Energie eines Tages
Die Last eines Netzes sei (angenommen) 0 bis 6 Uhr: 40 GW, 6 bis 12 Uhr: 60 GW, 12 bis 18 Uhr: 70 GW, 18 bis 24 Uhr: 50 GW. Wie viel Energie wird an dem Tag insgesamt abgerufen? Welcher Anteil entfällt auf die Grundlast?
Energie = Leistung mal Zeit, jeder Abschnitt dauert 6 h: 40 GW mal 6 h = 240 GWh, dann 60 mal 6 = 360 GWh, 70 mal 6 = 420 GWh, 50 mal 6 = 300 GWh. Summe: 240 + 360 + 420 + 300 = 1320 GWh.
Die Grundlast ist der Mindestwert 40 GW über 24 h: 40 GW mal 24 h = 960 GWh. Anteil: 960 : 1320 ≈ 0,73, also etwa 73 %.
Kraftwerke im Vergleich
Kein Kraftwerk ist in jeder Hinsicht das beste. Grobe Werte:
| Kraftwerk | Wirkungsgrad (etwa) | CO2-Ausstoß im Betrieb | Leistung regelbar |
|---|---|---|---|
| Steinkohle | 40 % | hoch | langsam |
| Gas und Dampf | bis 60 % | geringer als bei Kohle | schnell |
| Kernkraft | 35 % | keiner | langsam |
| Wasser mit Speicher | 90 % | keiner | sehr schnell |
| Wind und Sonne | – | keiner | nein, folgt dem Wetter |
Bei Wind und Sonne zählt der Wirkungsgrad weniger, weil kein Brennstoff verbraucht wird. Zum Vergleich gehören außerdem Kosten, Flächenbedarf, Abfall und die Emissionen beim Bau der Anlagen.
Ein Kraftwerk erzeugt Energie
Ein Kraftwerk erzeugt Energie
„Das Kraftwerk erzeugt Energie.“
Energie kann nicht erzeugt werden. Ein Kraftwerk wandelt eine Energieform in elektrische Energie um. Die Abwärme geht als thermische Energie an die Umgebung, sie ist nicht verschwunden, aber kaum noch nutzbar.
Warum Hochspannung?
Warum Hochspannung?
„Man überträgt mit Hochspannung, damit der Strom schneller zu den Verbrauchern kommt.“
Es geht um den Verlust, nicht um die Geschwindigkeit. Bei gleicher Leistung bedeutet eine höhere Spannung eine kleinere Stromstärke. Die Verlustleistung sinkt dann stark, weil die Stromstärke quadratisch eingeht.
Zusammenfassung
Ein Wärmekraftwerk wandelt Energie in der Kette Brennstoff, Dampf, Turbine, Generator in elektrische Energie um.
Ein Teil der Wärme geht als Abwärme verloren. Kohlekraftwerke erreichen etwa 40 %, Wasserkraftwerke etwa 90 %.
Die Verlustleistung in einer Leitung ist . Bei gleicher Leistung senkt eine höhere Spannung die Stromstärke und damit den Verlust stark. Darum nutzt man Hochspannung.
Das Verbundnetz verbindet viele Kraftwerke und Verbraucher in Spannungsebenen bis zur Niederspannung (230 V).
Erzeugung und Verbrauch müssen in jedem Augenblick gleich groß sein. Die Netzfrequenz von 50 Hz zeigt, ob das stimmt.
Die Tageslastkurve zeigt den Verbrauch über den Tag. Grundlast, Mittellast und Spitzenlast decken Kraftwerke mit passenden Eigenschaften.
Kraftwerke unterscheiden sich in Wirkungsgrad, CO2-Ausstoß, Regelbarkeit, Kosten und Umweltfolgen.
Übungen
Ein Gaskraftwerk nimmt mit dem Brennstoff 800 MW auf und gibt 480 MW elektrische Leistung ab. Wie groß ist der Wirkungsgrad, in Prozent?
Ein Kraftwerk gibt 50 MW (50 000 000 W) bei einer Spannung von 200 kV (200 000 V) an eine Leitung mit 8 Ω Widerstand ab. Wie groß ist die Verlustleistung in der Leitung, in Kilowatt? Schreibe die Zahl ohne Punkt.
Die Übertragungsspannung einer Leitung wird bei gleicher übertragener Leistung verdoppelt. Wie ändert sich die Verlustleistung in der Leitung?
Welches Kraftwerk eignet sich am besten, um kurze Verbrauchsspitzen am Abend zu decken?
Erkläre in zwei bis drei Sätzen, warum im Stromnetz Erzeugung und Verbrauch in jedem Augenblick gleich groß sein müssen und woran man merkt, dass das nicht stimmt.