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Generatoren wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Sie arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Während der Fahrraddynamo durch das rotierende Rad angetrieben wird, treibt den Kraftwerksgenerator die Turbine an, mit der er über eine gemeinsame Achse verbunden ist.
Ein Generator besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, dem feststehenden Teil, dem Stator, und dem rotierenden Teil, dem Rotor oder Läufer. Das Magnetfeld, auch Erregerfeld genannt, wird durch eine oder mehrere Spulen erzeugt, die von Gleichstrom durchflossen werden. Jener Teil des Generators, in dessen Wicklungen die elektrische Spannung erzeugt wird, heißt Anker.
Es gibt Innenpol-Generatoren und Außenpol-Generatoren. Von einem Innenpol-Generator spricht man, wenn sich die Spulen für das Erregerfeld am Läufer befinden. Die Stromzuführung zum Läufer erfolgt über Schleifringe. In diesem Fall durchsetzen die magnetischen Feldlinien des Rotors die Wicklungen des Stators und induzieren in ihnen eine Wechselspannung. Die Generatoren in den Kraftwerken sind Innenpolmaschinen.
Wenn sich die Spulen für das Erregerfeld am Stator befinden, spricht man von einem Außenpol-Generator. In diesem Fall durchsetzen die magnetischen Feldlinien des Stators die Wicklungen des Rotors und induzieren in ihnen eine Wechselspannung. Über einen Kollektor, auch Polwender genannt, wird die erzeugte Wechselspannung in Gleichspannung umgewandelt. Außenpolmaschinen werden vorwiegend nur als Hilfsgeneratoren oder Erregermaschinen verwendet. Mit ihnen wird die Spannung erzeugt, die für das Magnetfeld notwendig ist.
Seit der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch Michael Faraday 1831 kam es innerhalb der kurzen Zeit von 167 Jahren bis heute zu einer großen Anzahl von neuen Entdeckungen und Erfindungen auf dem Gebiet der Erzeugung des elektrischen Stroms und seiner Nutzung.
Es gibt heutzutage viele verschiedene Möglichkeiten, Strom in Kraftwerken zu erzeugen.
Faraday konnte 1831 als Erster die elektromagnetische Induktion nachweisen. Sie ist die Grundlage des Generators.
Da das Magnetfeld eines Dauermagneten nur für den Betrieb von kleinen Generatoren ausreichte, wurden bald für große Generatoren Elektromagneten verwendet. Später wurde bei den Wechselstromgeneratoren zwei Arten verwendet: der Außenpolgenerator und der Innenpolgenerator.
Kraftwerke mit Generator
Kohle-, Öl- und Gaskraftwerke
In solchen Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen wird, je nach Kraftwerkart, Stein- und Braunkohle bzw. Erdöl oder Erdgas verbrannt. Durch die entstehende Wärme 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 für den Generator an. Anschließend wird er in einem Kondensator durch anderes, in Rohrleitungen befindliches, Wasser wieder abgekühlt. Das Kühlwasser wird dabei von ca. 25°C auf ca. 35°C erwärmt. In riesigen Kühltürmen wird es durch Verrieselung wieder auf 25°C abgekühlt, 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.
Ein großer Nachteil von Kohle-, Öl- und Gaskraftwerken ist, dass viele umweltschädliche Abgase entstehen, die nur zum Teil von Filtern aus der Luft gefiltert werden.
Diese umweltschädlichen Gase sind z.B. beim Kohle- und Ölkraftwerk 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.
Ein weiteres Problem ist, dass die fossilen Brennstoffe nur begrenzt vorhanden sind, z.B. werden die Erdöl- und Ergasvorräte der Erde bereits in ca. 40 bis 50 Jahren aufgebraucht sein, wenn ihr Verbrauch konstant bleibt.
Das Atomkraftwerk
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 Primärkreislauf mit einer, je nach Kraftwerkart unterschiedlichen, Flüssigkeit abgegeben. Meist handelt es sich hierbei um Wasser oder flüssiges Natrium. Da diese Flüssigkeit radioaktiv ist, gibt sie ihre thermische Energie an einen Sekundärkreislauf ab, der meistens Wasser enthält. Dieses Wasser verdampft durch die große Hitze und treibt die Turbinen für den Generator an.
Da die Neutronen im Reaktorkern zu schnell sind, um bestimmte Stoffe ( z.B. Uran-238 ) in genügender Menge zu spalten, wird ein Moderator ( Bremssubstanz ) verwendet. Ein guter Moderator muss über einen großen Streuquerschnitt ( Wirkungsquerschnitt ), einen kleinen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen und eine möglichst kleine Massenzahl A verfügen. Typische Moderatoren sind schweres Wasser ( D2O ), Kohlenstoff in der Form von Graphit oder Beryllium.
Ein Kernreaktor kann sich nur dann selbst unterhalten, wenn das Verhältnis der Neutronenzahlen zweier, aufeinander folgender Spaltungsgenerationen mindestens eins ist. Ist dieses Verhältnis kleiner als eins, so ist es unterkritisch und die Kettenreaktion kommt zum Stillstand. Ist es genau eins, so ist es stationär. Es wird immer angepeilt, dieses stationäre Verhältnis zu erreichen. Kommt es aber dazu, dass das Verhältnis größer als eins ist, ist es überkritisch und die Kernspaltungen nehmen unkontrolliert zu. Die Folge wäre ein Super-GAU ( GAU bedeutet: größter anzunehmender Unglücksfall ). Um dies zu verhindern, werden Steuerstäbe mehr oder weniger weit in den Reaktorkern eingefahren. Diese Steuerstäbe bestehen aus Stoffen, die die Neutronen absorbieren und so für ein stationäres Verhältnis sorgen. Solche Neutronen absorbierenden Stoffe sind z. B. Bor oder Kadmium.
Für das erstmalige in Betrieb setzen eines Reaktors werden zwar die ersten Neutronen aus einer speziellen Neutronenquelle benötigt, aber nach einer zwischenzeitlichen Stilllegung ist dies nicht mehr nötig.
Das Wasserkraftwerk
Der allgemeine Aufbau von Wasserkraftwerken
In einem Wasserkraftwerk wird die Turbine nicht mit Dampf, sonder direkt mit dem Wasser angetrieben. Je nach Fallhöhe und Größe der Wassermenge, gibt es verschiedene Turbinen, die eine Leistung von mehren hundert Megawatt bringen.
3.4 Das Windkraftwerk
Das Windkraftwerk verfügt, im Gegensatz zu den meisten anderen Kraftwerken, über 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.
Der Rotor wird computergesteuert in den Wind gedreht, bei zu hoher Windgeschwindigkeit automatisch aus dem Wind gedreht.
Die gebräuchlichste Anlage mit vertikaler Achse ist der Darrieus-Rotor. Er sieht in etwa wie ein großer Schneebesen aus. Der Vorteil solcher Anlagen ist, dass sie unabhängig 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 großer Vorteil von Windkraftwerken ist, dass sie kaum Schadstoffe freisetzen. Große Nachteile sind allerdings der entstehende Lärm und die nervliche Belastung für die Bewohner nahegelegener Häuser durch das häufige Wechseln von Licht und Schatten beim Drehen der großen Rotorblätter vor der Sonne.
Stromerzeugung ohne Generator - Die Solarzelle
Die Solarzelle ist ein Minikraftwerk, in dem nicht wie im herkömmlichen Sinne Strom mit Hilfe eines Generators erzeugt wird. Die Energie des Sonnenlichtes wird in einer Solarzelle in Strom umgewandelt.
Dieser Vorgang der Stromerzeugung heißt Photovoltaik. Eine Solarzelle besteht aus einer positiv und einer negativ dotierten Siliziumschicht. Silizium ist ein Halbleiterelement, das heißt, 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 Elektronenüberschuß ( negativ geladen ) bzw. ein Elektronenmangel ( positiv geladen ). Dies führt dazu, dass es seinen elektrischen Widerstand unter Wärme- oder Lichteinwirkung verringert und ein besserer Stromleiter wird. In der Solarzelle wirkt die Kontaktfläche zwischen dem positiv und dem negativ geladenen Silizium als Sperrschicht, dass heißt, sie können sich nicht ausgleichen. In wie weit Elektronen diese Sperrschicht allerdings doch überwinden können hängt von der Stärke und der Richtung des Stroms ab. Die Elektronen können die Sperrschicht auch leichter von der negativ zur positiv geladenen Seite überwinden als andersherum.
Dieser physikalische Nebeneffekt wird bei Dioden und Transistoren ausgenutzt.
Wirkt Licht auf die Solarzelle ein, können sich die entstehenden positiven und negativen Ladungen nicht ausgleichen und werden durch Kontakte abgegriffen und als Strom genutzt.
Eine Solarzelle kann theoretisch einen Wirkungsgrad von 43% haben, in der Praxis beträgt er allerdings nur 13 bis 15%, unter günstigen Bedingungen auch 18%.
Ein großer Vorteil der Photovoltaik ist, dass keinerlei Schadstoffe freigesetzt werden.
Nachteile sind allerdings die hohen Herstellungskosten und die Jahreszeiten-abhängigkeit. Nachteilig ist auch, dass die Leistung höchstens 1kW/m² beträgt. |
