Kraftwerksarten und Wege der Stromerzeugung

Geothermie wird auch als Erdwärme bezeichnet und ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Geothermieanlagen nutzen heißes Wasser oder Dampf als Wärmeträger. Thermalwasserfelder liefern warmes Wasser mit Temperaturen unter 100 Grad Celsius, das in Form von warmen Quellen entweder an die Oberfläche tritt oder mittels spezieller Pumpen gefördert werden kann. Thermalwasserfelder lassen sich für Heilbäder, aber auch zum Heizen nutzen. Heißdampffelder liefern trockenen, häufig überhitzten Dampf, dessen Dampftemperaturen zwischen 125 und 245 Grad Celsius liegen. Dampf mit einem Druck von mehr als vier Bar und einer Temperatur ab 170 Grad Celsius eignet sich zur Elektrizitätserzeugung.

In Deutschland wird derzeit (Stand: 2020) an 37 Geothermiestandorten Strom erzeugt. Das sind:

• 33 Heizwerke (Wärmeproduktion inklusive Heizkraftwerke),
• 9 Kraftwerke (Stromproduktion; inklusive Heizkraftwerke),
• 5 Heizkraftwerke (Wärme und Strom).

Sie haben eine installierte Wäremeleistung von insgesamt 336,51 Megawatt und eine installierte elektrische Leistung von 37,13 Megawatt. Darüber hinaus befinden sich 3 Anlagen im Bau, 30 Anlagen sind in Planung und bei 5 Anlagen handelt es sich um Forschungsprojekte.

Wind ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Die Sonnenstrahlung erwärmt die Luft über Boden und Wasser. Dabei entstehen in der Atmosphäre ein Temperaturgefälle und ein Druckgefälle. Die daraus resultierenden Luftströmungen vom Hochdruckgebiet zum Tiefdruckgebiet bezeichnet man als Wind. Bei einer Windenergieanlage drückt der Wind gegen die Flügelflächen und das Rad kommt in Drehung. Zusätzlich sind die Rotorblätter nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet, um das Auftriebsprinzip zu nutzen.

Erdgas hat unter allen fossilen Energieträgern durch seinen geringen Kohlendioxidausstoß und seine hohen Wirkungsgrade in technischen Anwendungen die günstigste Kohlendioxidbilanz. Mit ihren geringen Wirkungsgradverlusten können moderne Erdgaskraftwerke eingesetzt werden, um die durch die verstärkte Einspeisung von erneuerbaren Energien entstehenden Schwankungen in der Stromerzeugung auszugleichen. Erdgas spielt auch im Wärmemarkt eine wichtige Rolle: In Deutschland ist fast jede zweite Wohnung mit einer Erdgasheizung ausgestattet.

Braunkohle ist ein wichtiger fossiler Energieträger, der in Wärmekraftwerken verbrannt wird, um mit der entstehenden Wärmeenergie über einen Wasser-Dampf-Kreislauf in Turbinen elektrischen Strom zu erzeugen. Braunkohle hat einen vergleichsweise geringen Energiegehalt von 7-12 Megajoule pro kg, weshalb Braunkohlekraftwerke stets in der Nähe der Lagerstätte stehen, um die Transportkosten möglichst gering zu halten.

Steinkohle ist ein wichtiger fossiler Energieträger, der in Wärmekraftwerken verbrannt wird, um mit der entstehenden Wärmeenergie über einen Wasser-Dampf-Kreislauf in Turbinen elektrischen Strom zu erzeugen. In einem modernen Steinkohlekraftwerk mit 550 MW werden täglich bei 24-stündigem Betrieb circa 3 800 t Steinkohle eingesetzt, d. h. pro Stunde mehr als sechs Güterwagenladungen zu jeweils 25 t. Steinkohle hat mit 34 Megajoule pro kg einen recht hohen Energiegehalt. Deutschland bezieht den Großteil seiner Steinkohle aus dem Ausland.

Kernenergie ist Energie, die bei nuklearen Reaktionen freigesetzt wird. Kernkraftwerke verfügen über Reaktoren, in denen die Atomkerne des Kernbrennstoffs durch Neutronenbeschuss in einer Kettenreaktion gespalten werden. Die Kernspaltung setzt im Vergleich zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen extrem viel Wärmeenergie frei (²³⁵Uran enthält beispielsweise ca. drei Millionen Mal so viel Energie wie Steinkohle). Die Wärme wird genutzt, um über eine Dampfturbine einen Generator zu betreiben. Im Zuge der Energiewende steigt Deutschland bis 2022 aus der Kernenergie aus. Seit 2011 wurden bereits acht Kernkraftwerke endgültig stillgelegt.

Wasserkraft ist eine regenerative Energiequelle, bei der potenzielle oder kinetische Energie über Turbinen in Rotationsenergie umgewandelt wird. Wasserkraft ist nicht nur frei von Kohlendioxid, seine Produktion unterliegt im Gegensatz zu Strom aus Wind und Sonne kaum Schwankungen. Damit ist Wasserkraft eine sehr berechenbare natürliche Energiequelle.

Pumpspeicherkraftwerke sind eine Form eines Kraftwerks, das traditionell zur Energiespeicherung genutzt wird. Pumpspeicherkraftwerke sind bis heute die einzige effiziente und großtechnisch verfügbare Form der Speicherung. Dabei wird zu Zeiten mit geringem Stromverbrauch oder Energieüberschuss Wasser in ein höher gelegenes Speicherbecken gepumpt. Dieser Wasservorrat ist geeignet, um sehr kurzfristig über eine Turbine Strom zu erzeugen. Auf diese Weise können kurzfristige Spitzen beim Stromverbrauch ausgeglichen werden. In Zeiten schwacher Stromnachfrage, wird das Wasser aus dem Unterbecken wieder in das Oberbecken zurückgepumpt und steht erneut zur Verfügung.

Heizöl ist ein fossiler Energieträger, der wegen seines recht hohen Energiegehalts von ca. 41,9 Megajoule pro kg mit akzeptablem Aufwand weltweit eingekauft werden kann. Im Wärmekraftwerk muss das schwere Heizöl auf die richtige Temperatur gebracht werden, um ausreichend flüssig zu sein. Es wird dann im Brenner fein zerstäubt und mit dem Luftstrom verwirbelt.

Biomasse nennt man die Stoffmasse von Lebewesen. Zur Energiegewinnung werden vor allem Pflanzenteile genutzt (Mais, bestimmte Getreidearten, Holzanfälle, Papier, Ernterückstände und organische Abfälle), aber auch Nebenprodukte aus der Nutztierhaltung, Klärschlamm und die Hälfte des Hausmülls. Aus Biomasse wird entweder in einer Biogasanlage Biogas gewonnen, um damit über einen Verbrennungsmotor einen Generator anzutreiben, oder sie wird direkt in einem Biomassekraftwerk verbrannt. Bei der Stromerzeugung mit Biomasse entsteht nur so viel Kohlendioxid, wie von Pflanzen während des Wachstums aus der Luft aufgenommen wurde. Biomasse gibt es ist in flüssiger, gasförmiger und fester Form, und kann daher gut gelagert werden. Sie steht damit ständig bedarfsgerecht zur Verfügung.

Siedlungsabfall ist ein Oberbegriff für Hausmüll und alle kommunalen Abfälle, die aufgrund ihrer Zusammensetzung dem Hausmüll ähnlich sind. Zu ihnen zählen Abfälle aus privaten Haushalten und dem Gewerbe ebenso wie Abfälle aus der Pflege und dem Betrieb öffentlicher Flächen und Anlagen (Bauabfälle, Parkabfälle, Straßenkehricht, Klärschlamm aus Kläranlagen etc.). Siedlungsabfälle werden in Müllverbrennungsanlagen getrennt und verbrannt. Die freigesetzte Wärmeenergie wird zur Stromerzeugung und zur Bereitstellung von Wärme (Prozesswärme, Fernwärme) genutzt.

Eine Reihe konventioneller Energieträger, die in geringem Umfang auch als Brennstoffe in Wärmekraftwerken dienen. Zum Beispiel Petrolkoks (ein aus Erdöl gewonnener Festbrennstoff), Dieselkraftstoff (auch Diesel oder Dieselöl: Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe; Kraftstoff für Dieselmotoren), Flüssiggas (Nebenprodukt aus der Erdölraffinierung sowie der Förderung von Erdöl und Erdgas; kann als Brennstoff für Ottomotoren verwendet werden) und Raffineriegas (Nebenprodukt aus der Erdölraffinierung).

Photovoltaik (griech. „photo“ = Licht ; „voltaik“ = nach der Einheit für elektrische Spannung Volt) ist ein Verfahren, bei dem mithilfe von Solarzellen die Strahlungsenergie (elektromagnetische Strahlung) der Sonne direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Die meisten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Durch Einbringen (dotieren) bestimmter chemischer Elemente, wie Phosphor oder Bor, entstehen zwei Schichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit. Werden diese beiden Schichten übereinandergelegt, bildet sich ein elektrisches Feld, in dem Strom (Elektronen) fließen kann, sobald Licht darauf scheint. Durch den Lichteinfall werden aus dem Silizium Bindungselektronen freigesetzt, die zwischen den beiden Schichten in Richtung der positiven Raumladung wandern. Eine elektrische Gleichspannung entsteht.