Elektrische Energieversorgung

Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

Universität AugsburgDidaktik der Physik

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Elektronenstrom und Energiestrom

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Ladungen übertragen Energie von der Stromquelle zum Verbraucher:

Im Gegensatz zu den Ladungsträgern fließt die el. Energie nicht im Kreislauf.

Zufuhr von nicht elektrischer Energie

elektrische

Energie wird

übertragen

Abgabe von nicht elektrischer Energie

z. B. chemische Energiemechanische EnergieStrahlungsenergie

z. B. thermische Energiemechanische EnergieStrahlungsenergie

Elektronenstrom und Energiestrom

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„Energie steckt in der Spannungsquelle“

Spannung U = ∆E Energieunterschied

U = = Q

E

Q

Wel

Q = I ∙ t

transportierte Energie E = U · I ∙ t = Wel

elektrische Arbeit Wel = Pel ∙ t

Pel = t

Wel

Leitungsverlust im realen Stromkreis

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Bewegung erfordert Arbeit:

R = U / I

mit U = R ∙ I folgt:

W = U · I · t

W = R ∙ I ∙ I ∙ t = R · I2 · t

= Arbeit zur Überwindung des Widerstands

Leitungsverlust im realen Stromkreis

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mit W = R · I2 · t ist:

Gesamtenergiedurchsatz im Stromkreis:

E = Woben + ∆ELampe + Wunten = Roben · I2 · t + PL ∙ t + Runten · I2 · t

mit P = E/t ist:

P = PV + PL

P = Roben · I2 + PL + Runten · I2 =(Ro + Ru) · I2+ PL

Bsp.: ElektrorasenmäherU = 230V PR = 1150W

RKabeltrommel ≈ 2 ∙ 0,0112 Ω/mUni – Impulsarena: (ca. 2 km)

50m:

Leitungslänge: Widerstand:

R = 1,12 Ω

R = 45 Ω

PV = 28 W

PV = 1125 W

Verlustleistung:I = 5A

HochspannungsübertragungReduktion der Verluste durch Verringerung der Stromstärke, d.h. die Anzahl der bewegten Teilchen nimmt ab;dafür muss die Spannung steigen, damit die transportierte Energiemenge(bzw. Leistung) erhalten bleibt.

PUni = 3400 W PL = 3400 W PStadion = 3400W

UUni = 230 V UL = 2300 V UStadion = 230 V

IUni = 5 A IL = 0,5A IStadion = 5A

PV (Uni-Stadion) = 11,25 W

vgl. ohne Transformation: R = 45Ω (Uni – Impulsarena): PV = 1125W bei PL = 1150W, 6

PV (50m Leitung) = 28 W PV (100m Leitung) = 56 W

Das Verteilungsnetz

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Übliche Spannungen in Deutschland sind:

Niederspannung: 230V / 400V

Mittelspannung: 10 kV / 20 kV

Hochspannung : 110 kV

Höchstspannung: 220 kV 380 kV

Elektrokraftwerke

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Wärmekraftwerk – Dampfkraftwerk:

Wärmequellen können sein: Kohle

Öl

Müll

Kernzerfallswärme

...

Elektrokraftwerke

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Abgas

Wärmekraftwerk – Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk:

Elektrokraftwerke

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Die meisten Kernkraftwerke in der BRD sind mit Druckwasserreaktoren ausgestattet:

Kernkraftwerk: (Nutzung von Wärmeenergie)

Elektrokraftwerke

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Es stehen verschiedene varianten solarthermischer Kraftwerke (CSP-Kraftwerke)im Mittelpunkt der Diskussion:

Solarthermische Kraftwerke:

1. Parabolrinnenkraftwerke

2. Solarturmanlagen

3. Dish-Stirling-Anlagen

4. andere

Aufteilung CSP-KraftwerkeWeltweit 2008

94 %

6 %

Kalifornien, Kramer Junction

Elektrokraftwerke

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Solarthermische Kraftwerke: 1. Parabolrinnenkraftwerke

Solarfeld Wärmetauscher Wärmetauscher

Salz-tank

Turbine

Elektrokraftwerke

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Solarthermische Kraftwerke:

2. Solarturmanlagen

Solarturm bei Jülich (NRW)

Solarturm in Kalifornien

Video

Elektrokraftwerke

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Solarthermische Kraftwerke:

3. Dish-Stirling-Anlagen

Ein Parabolspiegel konzentriertdie Sonnenenergie auf einen Absorber.

Ein Arbeitsgas im Absorbertreibt den Stirlingmotor an.

Die dadurch entstandene mechanischeEnergie wird anschließend in einemGenerator in elektrische Energieumgewandelt.

Elektrokraftwerke

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Solarelektrische Direktumwandlung:

Photovoltaischer Effekt

Elektrokraftwerke

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Wasserkraftwerke:

(Pump-)Speicherkraftwerk

Quelle: VSE

Laufwasserkraftwerk

Laufrad der Turbine

Generator

Privates Kraftwerk mit 3m Fallhöhe und 25kW Leistung

Elektrokraftwerke

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Wasserkraftwerke:

MeeresströmungskraftwerkGezeitenkraftwerk

offenes Meer Damm Staubecken

offenes Meer Damm Staubecken

bei Flut

bei Ebbe

Niveauunterschied Rohrturbine mit Generator

Elektrokraftwerke

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Windkraftwerke:

Vision der Zukunft:Höhenwindkraftwerk

Windrad

Elektrokraftwerke

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Geothermische Kraftwerke:

„Hot-Dry-Rock-Verfahren“

Elektrokraftwerke

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Biomasse-Kraftwerke:

Gülle und Biomasse werden dem Gärbehälter zugeführt.

Im Gärbehälter werden diese Stoffe durch anaerobe Bakterien zersetzt, dabei entsteht als Abfallprodukt Dünger und ein Methan-Kohlendioxid-Gemisch, das Biogas.

Durch das Verbrennen des entstandenen Gases in einem Motor, an den ein Generator angeschlossen ist, entsteht Wärme und Strom.

Dieser Strom kann entweder direkt in Haushalten oder Betrieben verwendetwerden, und/oder ins öffentlicheStromnetz eingespeist werden.

Elektrokraftwerke

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Brennstoffzelle:

Video

Kraftwerke im Vergleich

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Wärme-KW Kern-KW Biomasse-KW Wasser-KW Wind-KW Photovoltaik

Wirkungsgrad ca. 40% ca. 33% 20-35% bis 95% 20-40% 13-17% (steigend)

Brennstoff Kohle Müll

Heizöl Uran Biogas

Erdgas Holzabfälle, ...

Standort benötigt nicht in Staustufen; Küstenländer; alle Freiflächen und

Infrastruktur; Ballungsgebieten; Stauseen Bergkämme Hausdächer mit

Gewässer zur Gewässer zur Südlage

Kühlung Kühlung

Umwelt Abwärme radioaktive Stoffe vgl. Wärme-KW Eingriff in Natur Lärm und Herstellung;

(60% der Energie können in die und flimmernder Entsorgung

heizt die Umwelt Umgebung Landschaftsbild Schattenwurf

auf; gelangen; durch

Treibhauseffekt Problem der Rotorblätter

Endlagerung;

Abwärme

Aussichten noch unverzicht- nur noch bis noch ausbaubar kaum noch noch ausbaubar nur bei höherem

(Deutschland) bar 2021 in Betrieb ausbaubar Wirkungsgrad und

geringeren

Herstellungskosten

gut

Energiewirtschaft

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Stromerzeugung Bayern 200120% Erneuerbare/Sonstige11% Kohle1% Öl7% Gas61% Kernenergie

Stromerzeugung Deutschland 200310% Erneuerbare/Sonstige51% Kohle1% Öl10% Gas28% Kernenergie

83,7TWh

570TWh

Anteil am Grundlastverbrauch:

Gewichtung der erneuerbaren Energien

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Deutschland 200163% Wasserkraft22% Biomasse11% Wind3,5% Sonnenenergie, Geothermie

Bayern 200161% Wasserkraft35% Biomasse0,5% Wind3% Sonnenenergie, Geothermie

Energieresourcen in EUMENA

a year

Energiereserven und ihr Potential

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Weltweit: jährliche wirtschaftlich bei unverändertemStromproduktion förderbare Verbrauch erschöpft

Vorräte für im1000 TWh 1000 TWh Jahr

Öl 45 2680 2047Gas 24 1600 2069Kohle 33 5700 2175Uran 4 460 2106Gesamt: 106 10440 2103

EUMENA: mögl. rentable jährl.Stromproduktion

1000 TWhWindkraft 1950Photovoltaik 325Biomasse 1350Geothermie 1100Wasserkraft 1350Solarthermie 630000

Zahlen basieren auf denVerbrauchswerten aus dem Jahr 2005.

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