Kraftwerk

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Disambig-dark.svg Dieser Artikel beschreibt Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie. Für die deutsche Band siehe Kraftwerk (Band); für das Dresdner Museum siehe KraftWerk – Dresdner Energiemuseum.

Ein Kraftwerk (veraltete Bezeichnung: Elektrizitätswerk) ist eine industrietechnische Anlage zur Stromerzeugung und teilweise zusätzlich zur Bereitstellung von thermischer Leistung. Die elektrische Leistung wird in das Stromnetz eingespeist.

Kohlekraftwerk Staudinger in Großkrotzenburg

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Entwicklung

Transmission und riemengetriebene Maschinen vor der Einführung von Elektromotoren

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts wurde die benötigte Energie neben menschlicher und tierischer Kraft durch Dampfkraft erzeugt. Dampfmaschinen wurden genutzt, um mechanische Leistung zu erzeugen, die in Fabriken mittels Transmissionen zu den Maschinen übertragen wurde. Weitere bekannte Energiequellen waren Wasserkraft und Windkraft. Diese Primärenergiequellen konnten nur in unmittelbarer Nachbarschaft genutzt werden.

Erst durch die Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens war die die Voraussetzung geschaffen, den Ort der Energieerzeugung vom Ort des Energieverbrauchs räumlich zu trennen. Die ersten Kraftwerke wurden von Dampfmaschinen angetrieben, es entstanden Stromnetze zur Verteilung der Energie. Im Systemwettstreit zwischen der zu erzeugenden Stromart zwischen Thomas Alva Edison und George Westinghouse und Nikola Tesla setzte sich das Wechselstromsystem durch, das einen weiten Übertragungsweg des elektrischen Stromes bei vertretbaren Leitungsverlusten zulässt.

Die Verbrennung der Kohle in Dampfkesseln zur Erzeugung von Strom wurde schnell als weiterer Absatzmarkt von den Zechenbetreibern erkannt. Ausgehend von den Zechenkraftwerken wurde der Strom an die benachbarte Industrie und Privathaushalte verteilt. Nachdem der Strom anfangs vorwiegend für Beleuchtungszwecke genutzt wurde, führte die allgemeine Verfügbarkeit der Energie zu neuen innovativen strombetriebenen Maschinen in der Industrie und in Privathaushalten und damit zu einem weiteren Anstieg der Stromerzeugung. Heute ist ein hochentwickelter Staat ohne Kraftwerke und Stromnetz undenkbar.

[Bearbeiten] Physikalische Grundlagen

Kraftwerke wandeln nichtelektrische Energie (thermische, mechanische, chemische oder auch atomare Energie) in elektrische Energie um. Die Energieumwandlung ist immer mit Exergieverlusten verbunden. Die eingesetzte Energie (Fossile Energie, radioaktive Stoffe, Sonne, Wind, Biomasse, Wasserkraft) bilden die Primärenergie und der Strom die Sekundärenergie. Der elektrische Strom bildet eine sehr hochwertige Energie, die sich sehr gut weit übertragen und in andere Energiearten umwandeln lässt. Da nur ein Teil der Energie in elektrische Energie überführt werden kann, fällt immer ein nicht nutzbarer Energieanteil an, der als Entropie an die Umgebung abgegeben wird. Die bekannteste Form der Abwärme bilden die Kühlturmschwaden. Bei der Sonnenenergie erhitzt sich der Siliziumwafer, wenn das auftreffende Photon kein Elektron aus dem Leitungsband angehoben hat. Im Falle der Wasserkraft heizt die Reibung das Nutzwasser geringfügig auf.

[Bearbeiten] Technische Verfahren

Wichtigste Arten der Wandlung in elektrische Energie.

Die Verfahren, die sehr unterschiedlichen Arten von Primärenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, unterscheiden sich bezüglich technischem Aufwand, Wirkungsgrad, aber auch Umweltbelastung. Fast alle Verfahren (über 95 %) besitzen als Herzstück ein Dampfkraftwerk: Heißer Wasserdampf treibt eine Dampfturbine an, diese wiederum einen Generator, der den Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad liegt bei 40 % und lässt sich – sofern Gas als Brennstoff verwendet wird – in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk auf 60 % erhöhen.

Unabhängig davon kann man bei günstigen Umständen – wenn ein Großabnehmer von Niedertemperaturwärme unmittelbar benachbart ist – die Abwärme der Dampfkühlung nach der Turbine nutzen, was man als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Dampfkraftwerke unterscheiden sich durch die Art der Wärmeerzeugung:

  • Durch Verbrennung von fossilen Rohstoffen wie Kohle oder von erneuerbaren Energiequellen wie Holz.
  • Durch Ausnutzung von Kernenergie.
  • Durch Bündelung von Sonnenlicht.

Die Dampfturbine lässt sich durch andere Antriebsarten ersetzen:

Verfahren wie Photovoltaik oder die an seltene geographische Voraussetzungen gebundene Geothermie sind weltweit von untergeordneter Bedeutung.

Zu einem Kraftwerk gehören eine Reihe von Komponenten:

Alle diese Komponenten werden mit dem Kraftwerk-Kennzeichensystem erfasst und dokumentiert. Dies erleichtert die eindeutige Zuordnung und Benennung der Bauteile und hat sich international durchgesetzt.

In allen heute im großtechnischen Einsatz befindlichen Kraftwerkstypen in Europa wird die elektrische Energie in Form von Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz bereitgestellt. Allerdings haben in Deutschland, Österreich und der Schweiz manche Kraftwerke noch einen zweiten Generator für Bahnstrom (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz), wobei es auch Kraftwerke gibt, die nur Bahnstrom erzeugen (Bahnkraftwerke). In anderen Gegenden der Welt (überwiegend in Amerika) wird eine Frequenz von 60 Hertz verwendet.

[Bearbeiten] Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes gibt an, in welchem Maße die darin eingesetzte Primärenergie als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Dieser hängt stark von der verwendeten Technik ab und reicht von 12 % bei Photovoltaik über 40 % bei Wärmekraftwerken bis zu 90 % bei Wasserkraftwerken.

Leistung unterschiedlicher Kraftwerksarten in Deutschland (2007)[1]
Kraftwerkstyp Installierte
Leistung
in GW		 Erzeugte Energie
in TWh		 Anteil der gesamten
elektrischen Energie		 Mittlere Einschaltdauer
von 8760 h pro Jahr		 Wirkungsgrad1
Kohlekraftwerke 51,8 301 47 % 5810 h ≈ 45 %
Kernkraftwerke 21,3 140,5 22 % 6596 h ≈ 35 %
Gasturbinenkraftwerke 21,3 74,5 12 % 3498 h ≈ 39 %
Windkraftanlagen 22,2 39,5 6 % 1779 h ≈ 50 %
Wasserkraftwerke 10,1 27,5 4 % 2723 h ≈ 90 %
Biomasse  ? 19,5 3,1 %  ? ≈ 40 %
Müllverbrennung  ? 8,5 1,3 %  ? ≈ 45 %
Ölkraftwerk 5,4 8,0 1,3 % 1481 h ≈ 45 %
Photovoltaik 3,8 3,0 0,5 % 790 h ≈ 15 %
Gesamt 137,5 636,5

1Die angegebenen Wirkungsgrade beziehen sich außer bei Kernkraftwerken auf das Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie zur eingesetzten Primärenergie. Bei Kernkraftwerken wird der Wirkungsgrad des sekundären Dampfkreislaufs angesetzt, als Primärenergie ist hier also die Dampftemperatur vor der Dampfturbine zu sehen. Im Fall einer zusätzlichen Wärmeauskopplung können bei den vier erstgenannten Arten zum Teil Nutzungsgrade bis zu 80 % erreicht werden.

[Bearbeiten] Vernetzung der Kraftwerke

Nur geographisch isolierte Stromnetze, beispielsweise auf kleinen Ferieninseln, werden von einem einzigen Kraftwerk versorgt. Fällt dieses geplant oder ungeplant aus, bricht die Stromversorgung und damit meist auch die lokale Infrastruktur mit gravierenden Folgen zusammen. Ist das zu versorgende Gebiet ausreichend groß, wird die Gesamtlast stets auf viele Kraftwerke verteilt:

  • Grundlastkraftwerke müssen sehr preiswert Energie liefern können und laufen deshalb stets mit „Volldampf“.
  • Die vorhersehbaren und sich täglich wiederholenden Schwankungen des Energiebedarfes im Tagesverlauf fangen die Mittellastkraftwerke auf.
  • Für unvorhersehbare Notfälle gibt es die Schattenkraftwerke, die trotz ihres selten Einsatzes stets betriebsbereit gehalten werden müssen und deshalb besonders hohe Kosten verursachen.
  • Diese lassen sich teilweise durch teure Pumpspeicherkraftwerke ersetzen, die in erster Linie als schnell startbare „Notstromkraftwerke“ dienen, mit denen sich aber auch Energie aus billigem Nachtstrom mit gutem Wirkungsgrad in den folgenden Tag „übertragen“ lässt.

Für manche Kraftwerkstypen spricht beispielsweise ihre Fähigkeit zum Schnellstart und damit zum Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz. Gasturbinenkraftwerke und bestimmte Typen von Wasserkraftwerken können innerhalb weniger Minuten aus dem Stillstand heraus ihre volle Leistung ins Stromnetz abliefern, Dampfkraftwerke benötigen für diesen Vorgang einige Stunden, Kernkraftwerke benötigen einige Tage. Aus diesem Grunde werden die letztgenannten in erster Linie zur Deckung der Grundlast herangezogen, während Gasturbinen- und Wasserkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke) häufig die Spitzenlast im Netz übernehmen.

Diese dezentrale Stromerzeugung ist seit Jahrzehnten Standard in allen Stromnetzen wie dem Europäischen Verbundsystem, wird aber in den letzten Jahren als besonderer Vorzug des Anbindung von Kleinstkraftwerken gepriesen. Deren Aufschwung begann in Deutschland mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991.

[Bearbeiten] Steuerung der Kraftwerke

Beispiel für die irreguläre Stromerzeugung von Windkraftanlagen
→ siehe auch Kraftwerksmanagement, Regelleistung

Der Stromverbrauch ist nicht konstant und Kraftwerke können ausfallen. Da sich ohne Regelung die Netzspannung zu stark ändern würde, muss die Momentanleistung der angeschlossenen Kraftwerke ständig angepasst werden. Die unzuverlässige Stromerzeugung von Windenergie ist eine besondere Herausforderung für die Lastregelung des Stromnetzes, da sie unabhängig vom aktuellen Verbrauch innerhalb weniger Stunden 20 % zusätzliche Leistung liefern und genauso schnell wieder damit aufhören, wie das Bild zeigt. Das führte bereits mehrfach dazu, dass ganze Windparks stundenweise abgeschaltet werden mussten, weil sie erheblich mehr Strom erzeugten als im industriearmen Norden Deutschlands verbraucht wird. Ausreichend große Speicherkraftwerke können aber erst in den 400 km entfernten Mittelgebirgen gebaut werden.

Die Kraftwerksleistung lässt lässt sich nicht beliebig schnell anpassen, die Zeiten liegen zwischen sieben Minuten bei Gasturbinenkraftwerken und einigen Stunden. Auch ist die Leistungsänderung beschränkt, die abgefangen werden kann. Als beispielsweise am 4. November 2006 eine Hochspannungsleitung, die gerade 10.000 MW übertrug, überraschend abgeschaltet wurde, erzeugten die Kraftwerke in Nord- und Osteuropa zu viel Leistung, die in West- und Südeuropa fehlte. Als Folge zerfiel das Europäische Gesamtnetz durch regionale Notabschaltungen in kleine „Inseln“, die wieder mühsam synchronisiert werden mussten.

[Bearbeiten] Auswahlkriterien für bestimmte Kraftwerksarten

[Bearbeiten] Überblick

Es gibt keinen „besten“ Kraftwerkstyp, jeder besitzt spezifische Vor- und Nachteile, die je nach Staat und deren wechselnder Regierung unterschiedlich bewertet werden. Markantestes Beispiel ist die Kernenergie in Deutschland: Wurde 1998 noch der „unumkehrbare“ Ausstieg beschworen, denkt man 2009 deutlich anders darüber. Für Frankreichs Regierungen stellt sich diese Frage nicht, sie haben sich seit Jahrzehnten immer nur für Kernenergie entschieden.

Die zweite Zeile der folgenden Tabelle[2][3] bezieht sich auf die Erzeugung von 1 kW elektrischer Spitzenleistung. Da nicht alle Kraftwerkstypen dauernd diese Spitzenleistung liefern können (Wolken, Regenmangel), wird in der dritten Zeile angegeben, wie teuer eine Anlage wird, welche im Jahresmittel 1 kW leistet. Zum Vergleich: Die elektrische Gesamtleistung in Deutschland ist 73.000.000-mal so groß. Für eine Investition ist der Preis ausschlaggebend, den man benötigt, um eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen. Deshalb ist bei den Baukosten die zeitliche Auslastung im Jahresmittel eingerechnet.

Typ →
max. Leistung →		 Kohlekraftwerk
500 MW		 Wasserkraftwerk
3 MW		 Kernkraftwerk
1000 MW		 Windkraftanlage
3 MW		 Photovoltaik
0,002 MW
Baukosten
in €/kW(max)		 1060 in Deutschland
billiger in Entwicklungsländern		 5000 1850 1050 onshore
1950 offshore		 5000
Baukosten
in €/kW(mittel)		 1250 8300 2200 5200 onshore
6100 offshore		 45.500
Anzahl der
erforderlichen
Einzelanlagen
für 8.000 GWh		 2 500
(in Deutschland)		 1 1500 onshore
950 offshore		 ≈4.000.000
(in Deutschland)
Brennstoffkosten teuer 0 sehr billig 0 0
effektive
Laufzeit/Jahr		 85 % 60 % 85 % 20 % onshore
32 % offshore		 9 %
Besonderheit sehr klimaschädlich (CO2)
radioaktive Asche
Umweltzerstörung		 geeignete
geographische
Lage erforderlich		 in Deutschland:
Angst
radioaktiver Müll		 sehr großer
Flächenbedarf
unzuverlässig		 extremer Flächenbedarf
unzuverlässig
nur tagsüber
enormer Materialaufwand

In ärmeren Ländern stoßen die zahlreichen negativen Besonderheiten von Kohlekraftwerken auf kein Interesse, ausschlaggebend sind die geringen Baukosten. Diese lassen sich senken, wenn auf eine Rauchgasreinigung, die Feinstaub und Schwefelverbindungen wirkungsvoll zurückhält, verzichtet wird.

[Bearbeiten] Verfügbarkeit von Primärenergie

Viele Argumente in Energiedebatten im reichen Industriestaat Deutschland beziehen sich nur auf das eigene Umfeld und gelten nicht für andere Länder. Bei aller Freude über die kostenlose Sonnenenergie wird beispielsweise verdrängt, dass die Investitionskosten zu deren Ausnutzung die finanziellen Mittel ärmerer Staaten überfordern. Dort achtet man bei der Wahl der Kraftwerkstypen notgedrungen auf wenige, elementare Einzelpunkte:

  • Welche Primärenergien gibt es im eigenen Land?
  • Welche ist am einfachsten und ohne hohe Kosten in großen Mengen zu gewinnen?
  • Wie gering sind die Baukosten eines passenden Kraftwerks?
  • Liefert es mit einfacher Technik betriebssicher Strom?

Mögliche Belastungen der Umwelt durch Abgase interessieren nicht, sie werden weggeblasen. Die Tabelle zeigt, dass bei Beschränkung auf diese Kriterien Braunkohlenkraftwerke unschlagbar sind[4]. Grossflächige Umweltschäden durch den Tagebau bemerken erst spätere Generationen. Nach Braunkohle ist die schwieriger zu fördernde Steinkohle die zweitbeste Wahl.

Nur in reichen Industrieländern werden weitere Fragen erörtert:

  • Wie hoch ist der Wirkungsgrad?
  • Lassen sich Nebenprodukte des Kraftwerks wie Abwärme sinnvoll nutzen?
  • Was geschieht mit dem Abfall?

Ein hoher Anteil an Gebirgen bietet die Möglichkeit, Wasserkraftwerke betreiben zu können. Das wird aber beispielsweise in der Schweiz nicht voll genutzt: Dort wurden 2008 nur 52 % des elektrischen Stromes in Wasserkraftwerken erzeugt, in Norwegen dagegen 98 %.

Die Tatsache, dass manche Primärenergien wie Wind, Wellen oder Sonnenlicht kostenlos und weltweit in riesigen Mengen zur Verfügung stehen, weckt häufig unrealistische Erwartungen. Kernprobleme wie

  • außerordentlich geringe Energiedichte, also geringe Energie pro Fläche und
  • der damit verbundene enorme Materialaufwand für die Umsetzung in elektrische Energie sowie
  • die zeitliche Unzuverlässigkeit der Energielieferung

können durch keine technischen Tricks umgangen werden. Aus diesem Grund sind entsprechende Anlagen ungeeignet, einen nennenswerten Beitrag zu Lösung der Energieprobleme ärmerer Staaten zu leisten.

[Bearbeiten] Ortswahl

Die Industriezentren und Großstädte als Großverbraucher elektrischen Stromes sind sehr ungleichmäßig über die Staatsflächen verstreut. Zur Vermeidung von Übertragungsverlusten werden nahe gelegene Großkraftwerke bevorzugt. Wenn möglich, werden für Wärmekraftwerke für gewöhnlich Standortean Flüssen mit ausreichender Wasserführung gewählt. Ausnahmen sind Braunkraftwerke, die zugunsten geringer Transportkosten in Nähe der Förderstätten errichtet werden.

Vergleichbare Probleme kennt man von Wasserkraftwerken, die weitab von Industriezentren gebaut wurden, weil genau dort extrem viel elektrische Leistung erzeugt werden kann:

  • Der größte Teil der Stromproduktion der Cabora-Bassa-Talsperre muss mittels einer 1414 Kilometer langen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung in die benachbarte Republik Südafrika verkauft werden, weil keine näher gelegenen Großabnehmer existieren.
  • Der Großteil der in Paraguay erzeugten elektrischen Energie des noch leistungsstärkeren Wasserkraftwerkes Itaipú wird aus Paraguay ebenfalls über HGÜ 850 km weit nach São Paulo transportiert. Diese extreme Abhängigkeit von einem einzigen Großlieferanten führte am 16. November 2009 zum schlimmsten Stromausfall in der Geschichte Brasiliens[5][6][7]. 18 der 26 brasilianischen Staaten und ungefähr 60 Millionen Menschen saßen im Dunkeln. Nachdem Transmissions-Probleme den Itaipu-Staudamm lahmlegten, gab es in den meisten brasilianischen Städten für über fünf Stunden lang keinen Strom.

Windkraftwerke können prinzipiell auf jedem freiem Feld aufgestellt werden, da zu ihnen nur selten Materiallieferungen nötig sind, und da sie wegen ihrer geringen Leistung den erzeugten Strom ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen. Allerdings müssen wegen der Geräuschbelästigung ein Abstand von mehreren hundert Metern zu permanent bewohnten Häusern eingehalten werden. Der Standort einer Windkraftanlage muss über eine gute Standfestigkeit verfügen, da Windkraftanlagen schwer sind und bei starken Winden großen Belastungen standhalten müssen.

[Bearbeiten] Baugröße

Die Baugröße wird von der Erfahrung geprägt, dass Betriebsicherheit und Wirkungsgrad mit der Baugröße zunehmen und die Kosten pro erzeugter Energieeinheit abnehmen. Mit anderen Worten: Ein erprobter Kraftwerksblock mit 1000 MW läuft problemloser und ist erheblich wirtschaftlicher als zehntausend Kleinkraftwerke mit jeweils 0,1 MW. Großanlagen besitzen immer effektive Staubfilter und Entschwefelungsanlagen. Die in der Gesamtenergie vergleichbaren 10000 Blockheizkraftwerke, die mit Pflanzenöl oder Holzabfall betrieben werden, blasen dagegen ihren Feinstaub ungefiltert hinaus, weil die die zusätzlichen Filteranlagen den Betrieb unwirtschaftlich machen würden.

Der Betrieb von wartungsintensiven Kleinstkraftwerken bringt aber auch Vorteile: Die häufig anfallenden Reparaturen werden privat von den jeweiligen Eigentümern bezahlt und nicht auf den allgemeinen Strompreis umgeschlagen. Angesichts der sehr vielen Installationen ist der Ausfall von einigen Hundert Anlagen niemals so gravierend wie bei einer einzigen Großanlage.

Bei Wasserkraftwerken an sehr großen Flüssen kann die Baugröße nicht frei gewählt werden, wie der Drei-Schluchten-Damm zeigt. Die maximal zu erwartende Wassermenge diktiert die Abmessung des Staudamms.

[Bearbeiten] Flächenbedarf

Es gibt Kraftwerkstypen, die aus zwingenden Gründen mit dem Ort der Energiequelle eng verbunden sind und als eine Einheit betrachtet werden müssen. Diese Verkopplung bewirkt immer einen großen Landschaftsverbrauch und kann deshalb oft nicht realisiert werden. Dazu gehören:

  • Braunkohlekraftwerke werden immer nah am Tagebau errichtet und benötigen weitere Flächen für den Abraum. Folgende Rechnung gilt für den Tagebau Garzweiler: Aus dem zur Zeit 48 km² großen Abbaugebiet werden das Kraftwerk Neurath und das Kraftwerk Frimmersdorf beliefert, die die Gesamtleistung 4220 MW erzeugen. Daraus folgt (mit Kraftwerk, ohne Abraum) ein Flächenbedarf von 12.000 m² pro Megawatt. Die Anlage kann wegen Wartungsarbeiten mit maximal 85 % Auslastung betrieben werden.
  • Das Steinkohlekraftwerk Staudinger importiert Kohle und benötigt dafür nur einen Lagerplatz. Auf der Gesamtfläche von 0,5 km² kann eine Gesamtleistung von 2000 MW erzeugt werden. Daraus folgt ein Flächenbedarf von 250 m² pro Megawatt.
  • Eine Photovoltaikplatte mit 9 m² liefert bei optimaler Sonnenstrahlung 1 kW. Wegen der Änderung des saisonalen Sonnenstandes sollten die Module mit einem Winkel von etwa 40° gegen die Horizontale aufgebaut werden. Um auf einer ebenen Standfläche auch bei tiefstem Sonnenstand von nur 16° keine gegenseitige Abschattung zu erzeugen, benötigt man bei gestaffeltem Aufbau einen Abstand von 28 m (Berechnung für 1 m breite Einheiten; Bei 4,5 m langen Einheiten schrumpft der Abstand auf 14 m, dafür wird die Anlage doppelt so breit). Die Gesamtanlage erreicht deshalb einen Flächenbedarf von 28.000 m² pro Megawatt. Da die Anlage auch bei schönem Wetter nur tagsüber Strom liefert, liegt die mittlere Auslastung bei nur 9 %.
  • Als Beispiel für ein Wasserkraftwerk wird der Hoover-Staudamm berechnet. Der Stausee umfasst 639 km² bei einer Leistung von 2.080 MW. Daraus folgt ein Flächenbedarf von 308.000 m² pro Megawatt. Die Auslastung beträgt 22 %[8].
  • Kernkraftwerke sind vom Uranbergwerk und Urananreicherungsanlage (die etwa 50 KKW bedienen kann) immer beliebig weit entfernt, da die extrem geringe Menge Brennstoff, die jährlich benötigt wird, keine kurzen Wege erfordert. Das Kernkraftwerk Grafenrheinfeld mit einem Flächenbedarf von knapp 0,4 km² erzeugt 1275 MW. Daraus folgt ein Flächenbedarf von 310 m² pro Megawatt. Die Anlage kann wegen Wartungsarbeiten mit maximal 85 % Auslastung betrieben werden.
  • Der Windpark Sintfeld überdeckt eine Fläche von 7,65 km² bei einer Gesamtleistung von 105 MW. Die Gesamtanlage erreicht deshalb einen Flächenbedarf von 73.000 m² pro Megawatt. Die mittlere Auslastung liegt bei 20 %.
Kraftwerkstyp Flächenbedarf
in m²/MW		 Auslastung
pro Jahr		 Flächenbedarf
in m² für
1 GWh/Jahr		 Besonderheit
Wasserkraftwerk 308.000 22 % 12.300.000 Zwangsumsiedlung
der Bevölkerung;
später: Freizeitsee
Windpark (onshore) 73.000 20 % 3.200.000 Landwirtschaftlich
nutzbar
Photovoltaik 28.000 9 % 2.700.000 25 % mit
Material bedeckt;
nicht nutzbar
Braunkohle-KW 12.000 85 % 120.000 Zerstörte
Landschaft;
Kühltürme
Steinkohle-KW 250 85 % 29 Kühltürme
Kernkraftwerk 310 85 % 35 Kühlturm

Für offshore-Windparks liegen keine Daten vor; infolge der höheren Auslastung dürfte sich der Flächenbedarf gegenüber offshore-Anlagen halbieren. In der Tabelle ist nicht berücksichtigt, dass manche Kraftwerke zeitweise absichtlich mit verringerter Leistung arbeiten (siehe Kraftwerksmanagement).

[Bearbeiten] Kosten der Stromerzeugung

→siehe auch Stromerzeugung#Der Preis von elektrischer Energie in Deutschland

Der Preis des erzeugten Stromes hängt sehr stark von der Art des Kraftwerkes ab[9]:

  • Braunkohle 2,40 Cent/kWh
  • Kernenergie 2,65 Cent/kWh
  • Steinkohle 3,35 Cent/kWh
  • Wasserkraft 4,3 Cent/kWh
  • Erdgas 4,90 Cent/kWh
  • Windenergie 9 Cent/kWh
  • Fotovoltaik 54 Cent/kWh

Dazu kommen weitere Kosten für die Betreiber der Stromnetze, Subventionen für gewisse Stromerzeuger (Erneuerbare-Energien-Gesetz und Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) und Steuern. Die Verbraucher zahlen einen Mischpreis, der auch von der bezogenen Menge abhängt.

[Bearbeiten] Wissenschaftliche Untersuchungen

Vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gibt es einige sehr lesenswerte Untersuchungen mit ausführlich begründeten Empfehlungen. In einer Untersuchung über „CO2-Vermeidungskosten im Kraftwerksbereich“[4] werden zunächst finanzielle Aspekte durchleuchtet. Der Verfasser kommt auf Seite 43 zu folgendem Schluss:

  • Bei regenerativen Stromerzeugungsanlagen bieten sich an:
    • Wasserkraft für Mittellast
    • Windkraft
  • Auszuschließen sind allein aus Kostengründen:
    • Kleine und mittlere BHKWs
    • Biomasse-KWK (nur lokale Bedeutung)
    • PV-Anlagen

[Bearbeiten] Umweltbelastungen

[Bearbeiten] Kohlenstoffdioxid CO2

→Hauptartikel: Treibhauseffekt

In Deutschland wird etwa 50 % des Stroms durch Dampfkraftwerke erzeugt, in denen fossile Energie verbrannt wird und Kohlenstoffdioxid als Abgas erzeugt wird. Aufgrund der elementaren Zusammensetzung des Energieträgers Kohle ist der CO2-Anteil bei der Verbrennung signifikant höher als beim Erdgas, dessen wesentlicher Bestandteil Methan bildet. Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ist der wesentliche Stoff, der die Erwärmung der Atmosphäre begünstigt. Daher sollen Versuchsanlagen errichtet werden, um Kohlenstoffdioxid aus dem Rauchgas zu kondensieren und in flüssiger Form bei ca. 60 bar unterirdisch in Klüften aus porösem Gestein zu verpressen. Allerdings ist diese Technologie mit erheblichen Einbußen beim Wirkungsgrad verbunden. Für die CO2-Kondensation und ihr Verpressen müssen etwa 10 % der eingesetzten Energie aufgewendet werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad auf 35 % bis 40 % sinkt. Die sogenannte „CO2-freie“ Verbrennung gilt daher als nicht ausgereift.

Nicht alle Kraftwerke erzeugen im Betrieb CO2, jedoch entsteht bei der Herstellung, beim Betrieb und bei ihrem Abriss grundsätzlich auch klimaschädliches CO2. Die insgesamt (über den gesamten Lebenszyklus) freigesetzte Menge ist sehr unterschiedlich, wie die folgende Tabelle zeigt. Die rot unterlegten Felder zeigen, dass in Deutschland die Kohlekraftwerke nur 47 %, also nicht einmal die Hälfte der gesamten elektrischen Energie erzeugen, aber über 80 % des dabei erzeugten Kohlendioxids CO2 verursachen. Der Anteil, den Kernkraftwerke bei etwa gleicher Gasamtleistung indirekt beitragen, ist mit 0,7 % verschwindend gering. In den beiden rechten Spalten ist die aktuelle Verteilung im Nachbarland Frankreich gegenübergestellt.

Kraftwerksart CO2-Emissionen
pro kWh in g[10]		 Anteil der gesamten
elektrischen Energie (2007)
in Deutschland[11]		 Anteil am CO2-
Ausstoß aller Kraftwerke
in Deutschland		 Anteil der gesamten
elektrischen Energie (2007)
in Frankreich		 Anteil am CO2-
Ausstoß

aller Kraftwerke
in Frankreich
Wasserkraft 4–13 4,3 % 0,06 % 8,8 %[12] 1,2 %
Windenergie 8–16 6,2 % 0,12 % 0 %
Kernkraftwerk 16–23 22 % 0,7 % 86,6 %[13] 27,8 %
Photovoltaik 80–160 0,5 % 0,1 % 0 %
Erdgas GuD 410–430 11,7 % 8,1 %
Erdöl 890 1,3 % 1,9 %
Steinkohle 790–1080 22,8 % 35,3 % 4,6 %[14] 71 %
Braunkohle 980–1230 24,5 % 44,9 %
andere
(Müll, Biomasse usw.)		 800 (geschätzt) 6,7 % 8,9 %
Strommix in

Deutschland (2007)

 604

Quellen: Süddeutsche Zeitung, 2007,[10] BMWi

Obwohl auch in Frankreich 71 % des erzeugten CO2 durch die 15 Kohlekraftwerke freigesetzt werden, ist die Gesamtmenge erheblich geringer, wie die folgenden Tabelle zeigt. In dieser werden für das Jahr 2007 die Auswirkung der sehr unterschiedlichen Kraftwerkparks der Nachbarländer Deutschland und Frankreich verglichen. Nach Angaben der EDF[15] werden 95 % der elektrischen Energie in Frankreich CO2-frei erzeugt. Bei fast gleicher elektrischer Gesamtenergie produziert man in Frankreich nicht einmal 10 % des in Deutschland freigesetzten Klimagases CO2.

Staat Elektrizitätserzeugung
aller Kraftwerke
in TWh		 Strommix
in g/kWh		 CO2-Ausstoß
in 109 kg		 Anzahl der großen thermischen
Kraftwerksblöcke		 Anzahl der
Kernkraftwerksblöcke
Deutschland 636,5 604 384 ≈ 70 17
Frankreich[13] 610,6[15] 61 37 15 58

[Bearbeiten] Rauchgasreinigung

Luft über Peking an einem Tag nach dem Regen (links) und an einem sonnigen Tag mit Smog zwei Tage früher (rechts)
Das Elektrofilter eines Braunkohlekraftwerkes
→Hauptartikel: Rauchgasreinigung, Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft

Das Abgas eines Kraftwerkes, in dem Rohstoffe wie Kohle oder Holz verbrannt werden, enthält nicht nur Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf, sondern – je nach Brennstoff – in geringer Beimengung weitere Bestandteile, die umwelt- und gesundheitsschädlich sind und daraus entfernt werden sollten. In Schwellenländern verzichtet man aus Kostengründen fast immer darauf und nimmt beispielsweise massive Smogbildung in Kauf. In Deutschland wurden ab 1974 entsprechende Verfahren gesetzlich vorgeschrieben und schrittweise realisiert. Die Entstehung des Atemgiftes Kohlenstoffmonoxid muss schon während der Verbrennung durch eine geeignete Steuerung unterbunden werden.

Rauchgasentstickung
Je heißer die Flamme, desto mehr Stickoxide NOx werden aus dem in der Luft enthaltenen Stickstoff gebildet. Diese reizen die Atmungsorgane und fördern die Entstehung von saurem Regen. Zusätzlich wird Ozon zerstört, das die Einstrahlung von krebserregender UV-Strahlung von der Sonne behindert.
Rauchgasentschwefelung
Fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdöl können bis zu 4 Prozent Schwefel enthalten, woraus sich nach Zwischenschritten Schwefelsäure bildet. Diese trägt in erheblichem Maß zur Luftverschmutzung bei und ist ebenfalls Grund für sauren Regen.
Entstaubung
Die Verbrennung fester Brennstoffe wie Kohle oder Holz erzeugt immer Feinstaub, Ruß und Flugasche. Bei einem Kohlekraftwerk können bis zu 10 t Staub pro Tag entstehen, die durch sehr wirksame Elektrofilter aus dem Abgas gefiltert werden. Fast immer enthalten die Partikel auch giftige Schwermetalle.

[Bearbeiten] Radioaktive Beimengungen

Von kerntechnischen Unfällen einmal abgesehen, ist – was oftmals nicht beachtet wird – die Strahlenbelastung des Menschen durch Gewinnung und Einsatz von Kohle deutlich höher als diejenige durch Kernkraftwerke. In Kohle sind Spuren verschiedener radioaktiver Substanzen enthalten, vor allem von Radon, Uran und Thorium. Der Gehalt liegt je nach Lagerstätte zwischen wenigen ppm und 80 ppm.[16] Da weltweit etwa 7800 Millionen Tonnen Kohle pro Jahr in Kraftwerken verbrannt wird, schätzt man den Gesamtausstoß auf 10.000 Tonnen Uran und 25.000 t Thorium, der zum großen Teil in der Asche enthalten ist. Die Asche von europäischer Kohle enthält etwa 80 bis 135 ppm Uran.

Bei der Kohleförderung, vor allem Staub aus Tagebauen, über Abgase von Kraftwerken oder über die Kraftwerksasche werden diese Substanzen freigesetzt und tragen zur künstlichen Strahlenbelastung bei.[17] Dabei ist vor allem die Bindung an Feinstaubpartikel besonders kritisch. In der Umgebung von Kohlekraftwerken können oft sogar höhere Belastungen gemessen werden als in der Nähe von Kernkraftwerken. Nach Schätzungen des Oak Ridge National Laboratory werden durch die Nutzung von Kohle zwischen 1940 bis 2040 weltweit 800.000 t Uran und 2 Mio. t Thorium freigesetzt werden.[18][19]

Zwischen 1960 und 1970 wurde in den USA etwa 1100 Tonnen Uran aus Kohleasche gewonnen. 2007 beauftragte die chinesische National Nuclear Corp die kanadische Firma Sparton Resources, in Zusammenarbeit mit dem Beijing No. 5 Testing Institute Versuche durchzuführen, Uran aus Kohleasche zu gewinnen. Dieses soll im Xiaolongtang Kernkraftwerk in Yunnan eingesetzt werden.[17] Der Urangehalt der Asche liegt mit durchschnittlich 210 ppm Uran (0,021 % U) über dem Urangehalt mancher Uranerze.

[Bearbeiten] Landschaftszerstörung

Braunkohleabbau in Turow/Polen

Die sehr preiswerte Gewinnung von Braunkohle im Tagebau führt zu Zwangsumsiedlung ganzer Dörfer (Liste abgebaggerter Ortschaften), zur Vernichtung von landwirtschaftlich nutzbarer Fläche und zur Niveauabsenkung des Geländes unter den Grundwasserspiegel. Nach der großflächigen Zerstörungen der Landschaft folgt oft eine Rekultivierung, wobei tiefer die liegenden Gebiete der Abbaugruben geflutet werden. Diese können dann – wie das Leipziger Neuseenland – touristisch genutzt werden. An den Steilufern der ehemaligen Kohlegruben können sich auch noch Jahrzehnte nach Ende der Abbauarbeiten Erdrutsche wie am Concordiasee mit Todesfällen und hohem Sachschaden ereignen.

[Bearbeiten] Bauarten von Kraftwerken

Braunkohlekraftwerk Niederaußem

Laufwasserkraftwerk Hengstey

Windkraftanlagen in Dänemark

Kernkraftwerk Grafenrheinfeld

Speicherkraftwerk Maltatal

Großkraftwerk Mannheim

Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk Marbach

Folgende Arten von Kraftwerken sind Standardtypen und technisch weit entwickelt:

In experimentellen Stadium befinden sich:

Noch im experimentellen Stadium hinsichtlich der physikalischen Grundlagen sind:

[Bearbeiten] Wirtschaftliche Bedeutung

Kraftwerke besitzen eine erhebliche technische Komplexität und haben einen entscheidenden Einfluss auf das Funktionieren einer Volkswirtschaft. In ihnen ist ein großer Teil des volkswirtschaftlichen Vermögens eines Staates gebunden, ihnen kommt zudem eine erhebliche Bedeutung im Verbrauch wirtschaftlicher und ökologischer Ressourcen zu. Die Bedeutung der Kraftwerke wird in der Europäischen Union in den nächsten Jahrzehnten zunehmen, seriöse Studien prognostizieren eine Steigerung der Stromerzeugung innerhalb der EU von 2.898 Terawattstunden (TWh) im Jahre 2000 auf 3.988 TWh im Jahre 2020. In analoger Weise werden die weltweiten Zuwächse für den gleichen Zeitraum von 15.400 auf 28.000 TWh angegeben.

Die Investitionen für ein Kraftwerk sind erheblich. Beispielsweise rechnet man für ein modernes Kohlekraftwerk mit etwa 800 € pro installiertem Kilowatt elektrischer Leistung. Für einen Kraftwerksblock mit einer Leistung von 600 Megawatt sind danach Baukosten von 480 Millionen € anzusetzen.

[Bearbeiten] Kulturelle Bedeutung

Manche Kraftwerke aus der Pionierzeit der Elektrifizierung sind heute noch voll betriebene technische Denkmäler. Das Walchenseekraftwerk war früher das Wahrzeichen des Bayernwerks. Manche Kraftwerksbauten wurden unter künstlerischen Gesichtspunkten entworfen oder wurden im Rahmen von Kunstprojekten verziert. Ein prominentes Beispiel dieser Art ist das Kraftwerk Heimbach, das im Jugendstil entworfen wurde.

[Bearbeiten] Etymologie

Der Begriff Kraftwerk ist aus heutiger Sicht physikalisch falsch, da ein Kraftwerk keine Kraft erzeugt, sondern lediglich andere Energieformen in elektrische Energie umwandelt. Der Begriff kommt daher, dass bis ins 19. Jahrhundert das Wort „Kraft“ auch für Energie benutzt wurde.

[Bearbeiten] Begriffsdefinitionen

Bruttostromerzeugung 
Die Bruttostromerzeugung bezeichnet die im Kraftwerk an den Generatorklemmen erzeugte elektrische Arbeit.
Nettostromerzeugung 
Diese berechnet sich aus der Bruttostromerzeugung abzüglich des Kraftwerkseigenverbrauchs von Neben- und Hilfsanlagen, wie etwa Speisewasserpumpen.
Stromabgabe 
Als Stromabgabe wird die Nettostromerzeugung abzüglich der durch Transport und Umspannung bedingten Arbeitsverluste im Stromnetz bezeichnet.
Stromabnahme 
Die Stromabnahme ist die von den Kunden des Netzbetreibers aus dem Netz entnommene Leistung, entspricht im wesentlichen der Stromabgabe abzüglich des Verbrauchs der Netzbetreiber-eigenen Einrichtungen (Betriebsverbrauch).

[Bearbeiten] Einzelnachweise

  1. ↑ Energiestatistiken, BMWi
  2. ↑ [1] Relative cost of electricity by generation source
  3. ↑ [2]Stromerzeugungskosten im Vergleich
  4. ↑ a b [3]CO2-Vermeidungskosten im Kraftwerksbereich]
  5. ↑ [4]Brasilien: Wurde der Stromausfall durch Hacker oder UFOs verursacht?
  6. ↑ [5]2009 Brazil and Paraguay blackout
  7. ↑ [6]Itaipu Dam Problem Cauess Huge Brazilian Power Outage
  8. ↑ [7]Hooverdam
  9. ↑ [8]BMWi Strompreise 2007
  10. ↑ a b Summarische Darstellung der verschiedenen Bilanzen von World Nuclear Association (WNA) und Ökoinstitut nach CO2-Bilanzen verschiedener Energieträger im Vergleich (PDF-Datei, 1,01 MB), Wissenschaftliche Dienste des Deutschen Bundestages, 2007
  11. ↑ Energiestatistiken, BMWi
  12. ↑ La production d’électricité d’EDF – L’hydraulique, EDF
  13. ↑ a b La production d’électricité d’EDF – Le nucléaire, EDF
  14. ↑ La production d’électricité d’EDF – Le thermique, EDF
  15. ↑ a b La production d’électricité d’EDF – La Production énergie, EDF
  16. ↑ Naturally-Occurring Radioactive Materials (NORM), World Nuclear Association
  17. ↑ a b NORM – Radioactivity in Coal Ash, World Nuclear Association
  18. ↑ Dirk Jansen: Radioaktivität aus Kohlekraftwerken (PDF-Datei, 204 kB), Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland • Landesverband Nordrhein-Westfalen e. V. (BUND NRW)
  19. ↑ Aktuelle Zwischenergebnisse – Feinstaub und Radioaktivität aus Tagebauen (PDF-Datei, 696 kB), BUND NRW

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Literatur

  • BWK. (= „Brennstoff, Wärme, Kraft“) Vom VDI herausgegebene Fachzeitschrift.

[Bearbeiten] Weblinks

Commons Commons: Kraftwerke – Sammlung von Bildern und/oder Videos und Audiodateien
Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk“
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