Infowelt Energie
Wie wird Strom erzeugt?
Strom ist der Motor der modernen Welt. Ohne ihn wäre weder Kommunikation, Produktion, noch das alltägliche Leben, wie wir es kennen, denkbar. Doch die großen Mengen elektrischer Energie müssen irgendwo erzeugt werden. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über Formen der Stromerzeugung und die Nutzung von elektrischer Energie.
Seit wann gibt es elektrischen Strom?
Das Phänomen der elektrischen Ladung ist schon seit Jahrtausenden bekannt. Die Griechen beobachteten sie zum Beispiel an Bernsteinen. Deshalb ist der Begriff Elektrizität auch vom griechischen Wort Elektron für Bernstein abgebleitet. Bis zum 19. Jahrhundert wurde mit Strom fast ausschließlich experimentiert. Anwendungen gab es noch nicht. 1820 entdeckte André-Marie Ampère den elektrischen Magnetismus, erklärte den Begriff der elektrischen Spannung, des elektrischen Stromes und dass Strom verschiedene Richtungen hat. 1866 entwickelte Werner von Siemens dann den elektrischen Generator. Ab 1880 entstanden die ersten Kraftwerke, die den wachsenden Bedarf an elektrischer Energie decken sollten. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts ist Elektrizität ein untrennbarer Teil jeder modernen Gesellschaft geworden.
Welche Arten der Stromerzeugung gibt es?
Beim Begriff „Stromerzeugung“ ist es wichtig festzustellen, dass die jeweiligen Anlagen und Kraftwerke Strom nicht produzieren, sondern nichtelektrische Energie in elektrischen Strom umwandeln. Am häufigsten wird elektrische Energie aus der Bewegungsenergie von Generatoren gewonnen. So wie beim klassischen Fahrraddynamo, der Muskelkraft in Strom umwandelt. Womit die jeweiligen Anlagen wiederum die Energie für die Bewegung produzieren, bestimmt, wie die Form der Stromerzeugung genannt wird. Deswegen gibt es Kohlestrom, Gasstrom, Wind- und Wasserstrom oder Atomstrom.
Es gibt aber auch andere Technologien, die elektrische Energie erzeugen: Zum Beispiel Photovoltaik, bei der Lichtenergie direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird. Brennstoffzellen wiederum erzeugen Elektrizität aus chemischer Energie.
Wie viel der eingesetzten Energie am Ende der Umwandlung zu elektrischer Energie zur Verfügung steht, bestimmt den Wirkungsgrad der jeweiligen Form der Stromerzeugung. Ist der Wirkungsgrad hoch, geht weniger Energie bei der Umwandlung verloren. Das ist besonders wichtig bei fossilen Brennstoffen, da hier viele CO2-Emissionen entstehen. Ein Beispiel: In einem üblichen Gaskraftwerk mit 50% Wirkungsgrad werden 2 Kilowattstunden Energie benötigt, um eine Kilowattstunde Strom zu produzieren.
Wussten Sie schon?
Mit einer Kilowattstunde Strom lässt sich so einiges anfangen. Sie können sich beispielsweise 2.000 Mal elektrisch rasieren, 1 Mittagsessen für 4 Personen kochen und vieles mehr. Mehr zum Thema erfahren Sie in unserem Artikel das geht alles mit einer Kilowattstunde.
1. Strom aus Verbrennung
Kohle-, Gas- und Biomassekraftwerken erzeugen Strom durch die Verbrennung der jeweiligen Energieträger. In Gasturbinenkraftwerken werden Erdgas oder Biogas direkt verbrannt und so Turbinen angetrieben. In Dampfkraftwerken dagegen wird erst Wasser erhitzt, und der so entstandene Wasserdampf treibt dann die Turbinen an. Das Prinzip funktioniert mit Gas, Kohle und Biomasse gleichermaßen. Der Unterschied liegt hier vor allem in den CO2-Emissionen. Kohle und Gas werden unter großem Aufwand aus der Erde gewonnen. Der in ihnen gebunden Kohlenstoff wird beim Verbrennen ohne Ausgleich meist direkt in die Atmosphäre abgegeben. Bei Biomasse wird in der Wachstumsphase CO2 gebunden, weshalb diese Form der Stromerzeugung als CO2-neutral angesehen wird. Der Wirkungsgrad bei Anlagen, die Elektrizität durch Verbrennung erzeugen, schwankt zwischen 25 und 40 Prozent bei Kohle und kann bei Gas bis zu 60 Prozent erreichen.
Häufig wird die Wärme, die bei der Verbrennung in Kraftwerken entsteht, zusätzlich zur Beheizung von Gebäuden, zur Warmwasserbereitung oder als Prozesswärme für die Industrie genutzt. Das Prinzip wird Kraft-Wärme-Kopplung genannt und kann den Wirkungsgrad deutlich erhöhen.
2. Atomenergie
In Atomkraftwerken wird ebenfalls Wasserdampf zur Bewegung von Turbinen erzeugt. Die dafür benötigte Wärme wird allerdings aus einer atomaren Kettenreaktion gewonnen. Urankerne werden durch Neutronen gespalten und setzen so ebenfalls Neutronen frei, die weitere Kerne spalten. Der Wirkungsgrad liegt hier bei 35 bis 40 Prozent. Atomstrom zählt weder zu den fossilen noch zu den erneuerbaren Energien. Bei der Kettenreaktion selbst wird kein CO2 freigesetzt, allerdings stellt die dauerhafte und sichere Entsorgung der radioaktiven Abfälle ein bisher nicht gelöstes Problem dar.
3. Strom aus Bewegungsenergie
Auch Windkraft- und Wasserkraftanlagen nutzen Bewegungsenergie zur Stromerzeugung. Bei ihnen wird die natürliche Bewegungsenergie des jeweiligen Elements direkt genutzt, um Elektrizität zu erzeugen.
Windkraft ist eine der ältesten bekannten Energieformen der Menschheit, seit tausenden Jahren wird mit ihr Getreide gemahlen. Bei modernen Windkraftanlagen bewegt der Wind die Rotoren, die wiederum direkt einen Generator antreiben. Sie sind bis zu 100 Meter hoch, richten sich automatisch nach der Windrichtung aus und erzeugen bereits ab Windstärke 3 elektrische Energie. Der Wirkungsgrad liegt bei idealer Windstärke bei etwas über 50 Prozent.
In Wasserkraftwerken bewegt fallendes Wasser einen Generator. Häufig zu finden sind sie an Staudämme in den Bergen, da hier auf dem Weg ins Tal vom Wasser mehr kinetische Energie freigesetzt wird. Der Wirkungsgrad kann hier über 90 Prozent liegen. Eine besondere Form des Wasserkraftwerks ist das Pumpspeicherkraftwerk. Es bietet die Möglichkeit Energie zu speichern. Ist das Stromnetz ausgelastet, wird die überschüssige Energie genutzt, um Wasser wieder bergauf zu pumpen und es bei Bedarf wieder zur Stromerzeugung zu nutzen.
Zudem gibt es neue Technologien wie Gezeitenkraftwerke, die das natürliche Fallen und Steigen des Meeres zur Gewinnung von Strom nutzen. Alle genannten Stromerzeugungsarten zählen zu den erneuerbaren Energien, da Wind, Wasser und Gezeiten nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehen.
4. Solarenergie
Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt, um Strom zu erzeugen. Licht trifft auf die Vorderseite der Solarzellen der Module, wodurch eine elektrische Spannung zwischen der Vorder- und der Rückseite entsteht. Mehrere Zellen zusammengeschaltet ergeben ein Panel. Photovoltaik-Anlagen gibt es in verschiedensten Größen für verschiedene Anwendungsgebiete. Von der Mini-PV-Anlage für den Balkon (Balkonkraftwerk) bis hin zu großen industriellen Solarfeldern nutzen bereits viele Unternehmen und Privatpersonen in Deutschland die Kraft der Sonne. Der Betrieb einer eigenen PV-Anlage ist eine der am häufigsten genutzten Technologien, um die eigene Stromerzeugung autarker zu gestalten und langfristig CO2 und Kosten zu sparen.
5. Erneuerbare Energien
Nicht erst seit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ist klar, dass sich Deutschland schrittweise von der konventionellen Stromerzeugung verabschieden wird. Fossile Brennstoffe sind begrenzt, was den Strompreis langfristig weiter steigen lassen wird. Deswegen findet seit einigen Jahren der Um- und Ausbau der deutschen Stromerzeugung und des Stromnetzes statt. Photovoltaik, Wasserkraft und Windkraft zählen heute zu den wichtigsten erneuerbaren Energien. Sie erzeugen bereits fast die Hälfte des in Deutschland eingespeisten Stroms. 2022 lag der Anteil der erneuerbarer Energie am deutschen Strommix bei über 46 Prozent.
Da bei der Erzeugung der elektrischen Energie kein CO2 freigesetzt wird, sind sie ein wichtiger Pfeiler, um die deutschen Klimaziele zu erreichen und die deutsche Stromerzeugung nachhaltiger zu gestalten.
Die steigende Dezentralisierung in der Stromversorgung setzt aber auch Veränderung im Netz voraus. Moderne Smart-Grids sollen es ermöglichen, den Verbrauch genau zu steuern und so die Menge an elektrischen Strom, exakt zu steuern und zu verteilen.
6. Weitere Formen der Energieerzeugung
Neben den bereits genannten Arten der Stromerzeugung gibt es noch weitere technologische Möglichkeiten Strom zu erzeugen. Dazu zählen beispielsweise Brennstoffzellen. Diese nutzen chemische Reaktionen, um Energie zu erzeugen. Geothermie nutzt wiederum die Wärme der Erde und erzeugt damit, als KWK-Anlage, sowohl Strom als auch Wärme zum Heizen.
Vattenfall Fazit
Die Nutzbarmachung von Strom war wichtig für Industrialisierungsprozesse und die Entwicklung der Gesellschaft von heute. Zukünftig wird eine der großen Fragen sein, wie Industrie und Gesellschaft das erreichte Niveau nachhaltiger gestalten können. Die Stromerzeugung in Deutschland wird bereits zusehends nachhaltiger. Erneuerbare Energien bergen große Potenziale, um die Stromerzeugung und Versorgung zu dezentralisieren und Emissionen weiter zu senken. Im Zuge dessen ist ein Ausbau des Stromnetzes unumgänglich.
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Alles im Fluss: Energie existiert in unserer Welt auf verschiedene Weise und lässt sich in andere Formen überführen. Das wissen auch die Ingenieure des amerikanischen Start-ups Lucid Energy aus Portland (USA) – und erfanden kurzerhand Rohre, die aus fließendem Wasser Strom gewinnen: das LucidPipe Power System.
Wind als Energieträger
Bis 2025 soll der Anteil der erneuerbaren Energien am deutschen Stromverbrauch auf 40 bis 45 Prozent steigen. Die Chancen dafür stehen gut. Die größte Rolle spielt dabei die Windenergie. Lesen Sie hier über die Investitionen in erneuerbare Energie.