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Wärmekraftwerke

Wusstest du schon, dass chemische Energie oder Kernenergie in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden können? Erfahre, wie dies in Wärmekraftwerken passiert und lerne mehr über die Prozesse zur Energieumwandlung. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text.

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Die Autor*innen
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Jochen Kalt
Wärmekraftwerke
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Wärmekraftwerke Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wärmekraftwerke kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Bestandteile der inneren Energie an.

    Tipps

    Die Energie, die im Atomkern gespeichert ist, wird in einem Atomkraftwerk genutzt.

    Bei Bindungen zwischen Atomen spricht man von Bindungs- oder chemischer Energie.

    Lösung

    Die innere Energie besteht aus mehreren Komponenten, in einer Formel zusammengefasst :

    $ E = E_{TH} + E_{CH} + E_{Kern} $.

    Die gesamte innere Energie $E$ ist also die Summe aus der thermischen Energie $E_{TH}$, der chemischen Energie $E_{CH}$ und der Kernenergie $E_{Kern}$.

    Die thermische Energie hängt dabei von der Bewegung der Teilchen ab. Bewegen sich diese sehr schnell, ist die thermische Energie sehr hoch. Sind diese in Ruhe, so ist die thermische Energie (am absoluten Nullpunkt) gleich $0$.

    Da Teilchen und Moleküle mittels Bindungsenergie zusammengehalten werden, muss auch diese im Inneren gespeicherte Energie berücksichtigt werden. Man bezeichnet diesen Anteil der inneren Energie als chemische Energie.

    Anders als die chemische Energie, welche die Verbindung zwischen verschiedenen Teilchen berücksichtigt, beinhaltet die Kernenergie lediglich die Energie, die im Kern eines einzelnen Atoms zwischen den Protonen und Neutronen im Atomkern.

  • Benenne die Komponenten des Wärmekraftwerks.

    Tipps

    Ein Wärmekraftwerk hat die Aufgabe, die innere Energie eines Materials in elektrische Energie umzuwandeln.

    Die chemische Energie eines Brennstoffes muss an einen Wasserstrom übertragen werden.

    Damit ein geschlossener Prozess möglich ist, muss der erzeugte Wasserdampf wieder verflüssigt werden.

    Lösung

    Ein Wärmekraftwerk hat die Aufgabe, die innere Energie eines Materials in elektrische Energie umzuwandeln.

    Dazu werden verschiedene Stufen durchlaufen.

    Zunächst wird im Verdampfer die chemische Energie eines Brennstoffes an einen Wasserstrom übertragen. So wird dessen innere Energie erhöht und das Wasser verdampft.

    Der heiße Wasserdampf gelangt nun zur Turbine. Bedenke: Das heißt, dass sich Teilchen schnell bewegen.
    In der Turbine wird ein Teil der kinetischen Energie des Gases in die Drehung des Turbinenkopfes umgewandelt und so im Generator Strom generiert.

    Da nicht das gesamte Turbinenabgas genutzt wird, gelangt ein Teil dieses Gases in den Kondensator.
    Dort soll der Wasserdampf wieder verflüssigt werden, um dem Prozess wieder von neuem zugefügt zu werden (Verdampfer).

    Der Kondensator hängt dabei immer mit einer Kühleinheit zusammen, denn der warme Wasserdampf aus dem Turbinenabgas kondensiert nur, wenn dieser gekühlt wird. In der Regel erfolgt diese Kühlung über Kühltürme oder wassergekühlte Anlagen.

  • Vergleiche die Eigenschaften der Kraftwerke.

    Tipps

    Erneuerbare Energien sind in der Regel umweltfreundlich.

    In einem Wärmekraftwerk wird oft Kohle verbrannt.

    Ein Wasserkraftwerk kann sehr hohe Wirkungsgrade erreichen.

    Lösung

    Nutzbare Energie kann nicht nur mittels Wärmekraftwerk gewonnen werden.

    Auch mit erneuerbarer Energietechnik kann aus einer nicht nutzbaren Eingangsenergie wie etwa der Sonnenstrahlung oder der Lageenergie des Wassers in einer Talsperre nutzbare Energie in Form elektrischer Energie entstehen.

    Dabei hat jeder Prozess seine charakteristischen Vor- und Nachteile:

    Eine Solaranlage ist zwar umweltfreundlich und an ausreichend vielen Standorten einsetzbar, jedoch sind diese mit einem Wirkungsgrad von etwa $\eta = 20\%$ nicht besonders effizient in der Energieausnutzung. Außerdem bräuchte man, um große Mengen elektrische Energie zu erzeugen, sehr große Flächen wie sie in Städten nicht zur Verfügung stehen.

    Die Energiegewinnung aus Wasserkraft erfolgt in der Regel über Turbinen, auf welche ein Wasserstrom gelenkt wird. Dies geschieht zum Beispiel in großen Staudämmen, die du sicher schon einmal gesehen hast. Dabei sind die erreichbaren Wirkungsgrade sehr hoch, bis zu $\eta = 90\%$ sind durchaus möglich. Das Problem der Wasserkraft ist jedoch offensichtlich: Man kann ein Wasserkraftwerk nur an geeigneten Standorten am Wasser bauen.

    Wie du siehst, ergeben sich noch einige Probleme beim Einsatz erneuerbarer Energietechnik: aus dem großen Flächenbedarf oder den spezifischen Anforderungen an einen Standort.

    Damit dennoch eine umfassende Energieversorgung gesichert ist, ist der Einsatz von Wärmekraftwerken heutzutage noch unverzichtbar.

    Ein Wärmekraftwerk ist zunächst einmal sehr kompakt und damit für fast alle Standorte geeignet. Mit Wirkungsgraden von etwa $\eta = 40\%$ ist die Effizienz zudem ausreichend. Da jedoch die Verwendung eines Wärmekraftwerkes auch immer mit großen Emissionen verbunden ist, sind diese oft relativ umweltschädlich.

    Aus diesem Grund forscht man heute daran, ob und wie es möglich ist, die benötigte Nutzenergie auch ohne die Verwendung von Wärmekraftwerken zu erzeugen.

  • Berechne die Wirkungsgrade.

    Tipps

    Der Wirkungsgrad beträgt bei guten Wärmekraftanlagen etwa $\eta_{WKW} = 40\%$.

    $\eta = \frac{E_{Nutz}}{E_{Ein}}$

    Lösung

    Der Wirkungsgrad $\eta$ ergibt sich aus dem Verhältnis von nutzbarer Energie $E_{Nutz}$, also der Energie, die am Ende eines Umwandlungsprozesses steht und zur Weiterverwendung verfügbar ist, und der Eingangsenergie $E_{Ein}$, der inneren Energie, die man dem Prozess ursprünglich hinzugefügt hat.

    An einem Beispiel wird leicht klar, wie man diese unterschiedlichen Energien voneinander abgrenzen kann.

    Bei einem Kraftwerksprozess soll als Ergebnis elektrische Energie stehen. Diese ist die Energiewährung unserer Zeit und damit für jeden nutzbar. Damit man elektrische Energie erhält, muss Energie aus anderen Formen umgewandelt werden (Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen !)

    Diese Umwandlungen finden in einem Kraftwerk statt. Vereinfacht gesagt wird hier innere Energie über mechanische Energie zu elektrischer Energie umgewandelt.

    Da bei jeder Umwandlung ein kleiner Teil der Gesamtenergie als nicht nutzbare Energie abgeführt wird (Wärme/Reibung), steht am Ende des Prozesses weniger Energie, als man ursprünglich hinzugefügt hat.

    Um eine quantitative Aussage darüber zu erhalten, wie viel Energie nach Umwandlung tatsächlich noch genutzt werden kann, verwendet man den Begriff Wirkungsgrad.

    Der Wirkungsgrad beträgt bei guten Wärmekraftanlagen etwa $\eta_{WKW} = 40\%$.

    Auch für erneuerbare Energien gibt man Wirkungsgrade an: Hier kommen Solaranlagen selten über $\eta_{Sol} = 20 \%$. Wasserkraftwerke sind da schon sehr viel effizienter: Diese erreichen Wirkungsgrade von bis zu $\eta_{WasserKW} = 90\%$.

  • Gib an, wie in einem Wärmekraftwerk möglichst hohe Wirkungsgrade erreicht werden können.

    Tipps

    Der Wirkungsgrad bewegt sich immer zwischen $eta =0$ und $eta = 1$.

    Der Wirkungsgrad kann sehr verschieden sein, je nachdem, wie effizient ein Prozess ist.

    Lösung

    Damit ein Kraftwerk wirtschaftlich arbeiten kann, muss stets ein möglichst hoher Wirkungsgrad angestrebt werden.

    Dieser kann sehr verschieden sein, je nachdem, wie effizient ein Prozess ist.

    Generell ist der Wirkungsgrad nach oben und unten beschränkt. Nach dem ersten Hauptsatz der Wärmelehre kann Energie nicht aus dem Nichts entstehen. Das heißt, die Energie, die etwa in Form innerer Energie vorhanden ist, ist auch die maximal erzielbare elektrische Energie. Da es auch denkbar ist, dass überhaupt keine verwertbare Energie aus einem schlecht geführten Prozess gewonnen wird, kann die entstandene elektrische Energie $E_{Nutz} = 0 $ sein.

    Für den Wirkungsgrad heißt das :

    $\eta = \frac{E_{Nutz}}{E_{Ein}} $.

    Für den nicht erreichbaren Fall der perfekten Ausbeute ergibt sich :

    $\eta = \frac{E_{Nutz}}{E_{Ein}}= 1$.

    Der maximale Wirkungsgrad beträgt $\eta =1$.

    Für den schlechtesten Fall gilt :

    $\eta = \frac{0}{E_{Ein}}= 0$.

    Der Wirkungsgrad bewegt sich also immer zwischen $\eta =0$ und $\eta = 1$.

    Wie zu Beginn beschrieben ist der Wirkungsgrad für unterschiedliche Prozesse sehr verschieden.

    Damit dieser bei einem Wärmekraftwerk möglicht hoch ausfällt, muss der erzeugte Prozessdampf möglichst heiß und der Druck möglichst hoch sein.

    Dabei sind die maximal erreichbaren Werte etwa : $T_D = 550 °\text{C}$ und $ p = 200.000 \text{hPa}$.

  • Gib an, welche Energieformen an den gezeigten Stellen vorliegen.

    Tipps

    Unsere gängige Energiewährung ist die elektrische Energie.

    Verbrennung ist immer eine chemische Reaktion.

    Ziel des Kraftwerksprozess ist es, elektrische Energie zu erhalten

    Lösung

    Damit aus der chemischen Energie eines Stoffes die nutzbare elektrische Energie entstehen kann, finden mehrere Umformungen an und in den einzelnen Stufen des Wärmekraftwerks statt.

    Zunächst einmal liegt Energie in Form von chemischer Energie als Brennmaterial wie Kohle vor. Diese wird verbrannt, wodurch die innere Energie der Kohle auf einen Wärmeträger wie Wasser als thermische Energie übertragen wird.

    Die thermische Energie des heißen Gases trifft als nächstes auf die Turbine. Diese entnimmt einen Teil der kinetischen Energie und dreht sich so selbst. Die kinetische Energie der Turbinendrehung wird nun in einem letzten Schritt im Generator zu elektrischer Energie übersetzt.

    So erhalten wir nach Durchlauf der einzelnen Prozessstufen aus der chemischen, inneren Energie der Kohle, elektrischen Strom, den wir tagtäglich brauchen.