2.11 Elektrische Energieversorgung

Report
Elektrische Energieversorgung
Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der
Haupt- und Realschule
Universität Augsburg
Didaktik der Physik
1
Elektronenstrom und Energiestrom
Ladungen übertragen Energie von der Stromquelle zum Verbraucher:
Zufuhr von nicht
elektrischer Energie
Abgabe von nicht
elektrischer Energie
elektrische
Energie wird
z. B.
chemische Energie
mechanische Energie
Strahlungsenergie
übertragen
z. B.
thermische Energie
mechanische Energie
Strahlungsenergie
Im Gegensatz zu den Ladungsträgern fließt die el. Energie nicht im Kreislauf.
2
Elektronenstrom und Energiestrom
„Energie steckt in der Spannungsquelle“
Spannung U = ∆E Energieunterschied
U =
E
Q
=
Q=I∙t
W el
Q
transportierte Energie E = U · I ∙ t = Wel
elektrische Arbeit

Pel =
Wel = Pel ∙ t
W el
t
Leitungsverlust im realen Stromkreis
Bewegung erfordert Arbeit:
R=U/I
W=U·I·t
mit
U = R ∙ I folgt:
W=R∙I∙I∙t
= R · I2 · t
= Arbeit zur Überwindung
des Widerstands
4
Leitungsverlust im realen Stromkreis
Gesamtenergiedurchsatz im Stromkreis:
mit W = R · I2 · t ist:
mit P = E/t ist:
E = Woben
+ ∆ELampe +
Wunten
= Roben · I2 · t + PL ∙ t + Runten · I2 · t
P = Roben · I2 + PL
=(Ro + Ru) · I2+ PL
+ Runten · I2
P = PV + PL
Bsp.: Elektrorasenmäher
U = 230V
I = 5A
PR = 1150W
RKabeltrommel ≈ 2 ∙ 0,0112 Ω/m
Leitungslänge:
Widerstand:
Verlustleistung:
50m:
Uni – Impulsarena:
R = 1,12 Ω
R = 45 Ω
PV = 28 W
PV = 1125 W
(ca. 2 km)
5
Hochspannungsübertragung
Reduktion 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.
UUni = 230 V
UL = 2300 V
UStadion = 230 V
PUni = 3400 W
PL = 3400 W
PStadion = 3400W
IUni = 5 A
IL = 0,5A
IStadion = 5A
PV (50m Leitung) = 28 W
PV (Uni-Stadion) = 11,25 W
PV (100m Leitung) = 56 W
vgl. ohne Transformation: R = 45Ω (Uni – Impulsarena):
PV = 1125W bei PL = 1150W,
6
Das Verteilungsnetz
Übliche Spannungen in Deutschland sind:
Niederspannung:
Mittelspannung:
Hochspannung :
Höchstspannung:
230V / 400V
10 kV / 20 kV
110 kV
220 kV
380 kV
7
Elektrokraftwerke
Wärmekraftwerk – Dampfkraftwerk:
Wärmequellen können sein:
Kohle
Müll
Öl
Kernzerfallswärme
...
8
Elektrokraftwerke
Wärmekraftwerk – Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk:
Abgas
9
Elektrokraftwerke
Kernkraftwerk: (Nutzung von Wärmeenergie)
Die meisten Kernkraftwerke in der BRD sind mit Druckwasserreaktoren ausgestattet:
10
Elektrokraftwerke
Solarthermische Kraftwerke:
Es stehen verschiedene varianten solarthermischer Kraftwerke (CSP-Kraftwerke)
im Mittelpunkt der Diskussion:
Aufteilung
CSP-Kraftwerke
Weltweit 2008
1. Parabolrinnenkraftwerke
94 %
2. Solarturmanlagen
3. Dish-Stirling-Anlagen
6%
4. andere
11
Elektrokraftwerke
Solarthermische Kraftwerke: 1. Parabolrinnenkraftwerke
Kalifornien, Kramer Junction
Salztank
Solarfeld Wärmetauscher
Turbine
Wärmetauscher
12
Elektrokraftwerke
Solarthermische Kraftwerke:
2. Solarturmanlagen
Solarturm in Kalifornien
Solarturm bei Jülich (NRW)
Video
13
Elektrokraftwerke
Solarthermische Kraftwerke:
3. Dish-Stirling-Anlagen
Ein Parabolspiegel konzentriert
die Sonnenenergie auf einen
Absorber.
Ein Arbeitsgas im Absorber
treibt den Stirlingmotor an.
Die dadurch entstandene mechanische
Energie wird anschließend in einem
Generator in elektrische Energie
umgewandelt.
14
Elektrokraftwerke
Solarelektrische Direktumwandlung:
Photovoltaischer Effekt
15
Elektrokraftwerke
Wasserkraftwerke:
Laufwasserkraftwerk
(Pump-)Speicherkraftwerk
Generator
Quelle: VSE
Laufrad der Turbine
Privates Kraftwerk mit 3m Fallhöhe und 25kW Leistung
16
Elektrokraftwerke
Wasserkraftwerke:
Gezeitenkraftwerk
offenes Meer
Damm
Meeresströmungskraftwerk
Staubecken
bei Flut
offenes Meer
Damm
Staubecken
bei Ebbe
Niveauunterschied
Rohrturbine mit Generator
17
Elektrokraftwerke
Windkraftwerke:
Windrad
Vision der Zukunft:
Höhenwindkraftwerk
18
Elektrokraftwerke
Geothermische Kraftwerke:
„Hot-Dry-Rock-Verfahren“
19
Elektrokraftwerke
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 verwendet
werden, und/oder ins öffentliche
Stromnetz eingespeist werden.
20
Elektrokraftwerke
Brennstoffzelle:
Video
21
Kraftwerke im Vergleich
Wärme-KW
Wirkungsgrad
ca. 40%
Brennstoff
Kern-KW
ca. 33%
Kohle
Uran
Erdgas
Umwelt
Wasser-KW
20-35%
bis 95%
Wind-KW
20-40%
Photovoltaik
13-17% (steigend)
Müll
Heizöl
Standort
Biomasse-KW
Biogas
Holzabfälle, ...
benötigt
nicht in
Staustufen;
Küstenländer;
alle Freiflächen und
Infrastruktur;
Ballungsgebieten;
Stauseen
Bergkämme
Hausdächer mit
Gewässer zur
Gewässer zur
Kühlung
Kühlung
Abwärme
radioaktive Stoffe
(60% der Energie
Südlage
vgl. Wärme-KW
Eingriff in Natur
Lärm und
Herstellung;
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
(Deutschland)
bar
2021 in Betrieb
noch ausbaubar
kaum noch
ausbaubar
noch ausbaubar
nur bei höherem
Wirkungsgrad und
geringeren
Herstellungskosten
gut
22
Energiewirtschaft
Anteil am Grundlastverbrauch:
Stromerzeugung Bayern 2001
83,7TWh
20% Erneuerbare/Sonstige
11% Kohle
1% Öl
7% Gas
61% Kernenergie
Stromerzeugung Deutschland 2003
570TWh
10% Erneuerbare/Sonstige
51% Kohle
1% Öl
10% Gas
28% Kernenergie
23
Gewichtung der erneuerbaren Energien
Bayern 2001
61% Wasserkraft
35% Biomasse
0,5% Wind
3% Sonnenenergie,
Geothermie
Deutschland 2001
63% Wasserkraft
22% Biomasse
11% Wind
3,5% Sonnenenergie,
Geothermie
24
Energieresourcen in EUMENA
a year
Energiereserven und ihr Potential
Weltweit:
jährliche
Stromproduktion
Öl
Gas
Kohle
Uran
Gesamt:
EUMENA:
Windkraft
Photovoltaik
Biomasse
Geothermie
Wasserkraft
Solarthermie
1000 TWh
45
24
33
4
106
mögl. rentable jährl.
Stromproduktion
1000 TWh
1950
325
1350
1100
1350
630000
wirtschaftlich bei unverändertem
förderbare Verbrauch erschöpft
Vorräte für
im
1000 TWh
Jahr
2680
2047
1600
2069
5700
2175
460
2106
10440
2103
Zahlen basieren auf den
Verbrauchswerten aus
dem Jahr 2005.
26
Video
27

similar documents