Kraftwerk und Generator – wie Strom entsteht
Ob Kohle, Gas, Kernkraft, Wind oder Wasser: Fast überall steht am Ende ein Generator, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Er funktioniert durch elektromagnetische Induktion.
Der Generator
Bewegt man einen Magneten in einer Spule oder dreht eine Spule im Magnetfeld, ändert sich das Magnetfeld in der Spule ständig. Dadurch wird eine Spannung induziert. Im Kraftwerksgenerator dreht sich ein großer Elektromagnet (Rotor) in feststehenden Spulen (Stator). Bei jeder Umdrehung kehrt sich die Spannung zweimal um – es entsteht Wechselspannung.
- Die induzierte Spannung ist umso größer, je schneller sich das Feld ändert, je stärker der Magnet ist und je mehr Windungen die Spule hat.
- Ein Fahrraddynamo arbeitet nach demselben Prinzip – nur viel kleiner.
- Der Generator ist die Umkehrung des Elektromotors. Große Generatoren erreichen Wirkungsgrade von 98 bis 99 %.
Merke: Lenzsche Regel
Sobald Strom fließt, bremst der Generator die Drehung – der induzierte Strom wirkt seiner Ursache entgegen. Darum muss man beim Dynamo kräftiger treten, wenn das Licht eingeschaltet ist. Die elektrische Energie kommt also aus der Arbeit, die gegen diese Bremskraft verrichtet wird.
Das Wärmekraftwerk
In Kohle-, Gas-, Biomasse- und Kernkraftwerken läuft die Umwandlung in mehreren Schritten ab:
- Kessel / Reaktor: Wärme aus Verbrennung oder Kernspaltung
- Dampf: Wasser verdampft unter hohem Druck
- Turbine: Der Dampf versetzt Schaufelräder in Drehung
- Generator: wandelt die Drehung in elektrische Energie um
- Transformator: hebt die Spannung fürs Netz an
Hinter der Turbine muss der Dampf wieder zu Wasser werden. Das geschieht im Kondensator mit Kühlwasser aus einem Fluss oder einem Kühlturm. Die weißen Wolken über Kühltürmen sind kondensierter Wasserdampf, kein Rauch.
Warum so viel Wärme verloren geht, ist kein Konstruktionsfehler: Eine Wärmekraftmaschine kann grundsätzlich nur einen Teil der Wärme in Arbeit umwandeln. Je heißer der Dampf und je kälter die Umgebung, desto besser der Wirkungsgrad. Moderne Gas-und-Dampf-Kraftwerke erreichen fast 60 %, Kraft-Wärme-Kopplung nutzt die Abwärme zusätzlich als Fernwärme zum Heizen.
Kraftwerke ohne Dampf
- Wind- und Wasserkraftwerke treiben den Generator direkt über Rotor bzw. Turbine an.
- Photovoltaik braucht gar keinen Generator: Solarzellen wandeln Licht direkt in Gleichstrom um, ein Wechselrichter macht daraus Wechselstrom.
- Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff direkt in elektrische Energie um.
Warum alle Generatoren im Takt laufen
Alle Kraftwerke im europäischen Verbundnetz liefern Wechselstrom mit genau 50 Hz. Wird mehr Strom verbraucht als erzeugt, bremst das die Generatoren und die Frequenz sinkt minimal – das ist für die Netzbetreiber das Signal, Kraftwerke hochzufahren oder Speicher einzuschalten.
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