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Wärmekraftwerke 10:30 min

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Transkript Wärmekraftwerke

Hallo und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das Thema Wärmekraftwerke. Immer, wenn wir das Licht anmachen, einen Kuchen backen oder Radio hören, nutzen wir Elektrizität. Aber wo kommt die her? Wie du dir wahrscheinlich schon denkst, wird sie zum größten Teil in eben diesen Wärmekraftwerken erzeugt. Um zu verstehen, wie diese funktionieren, werden wir folgende Punkte durchgehen. 1) Was ist die Energie und wie hängt sie mit der Temperatur zusammen? 2) Wie funktioniert ein Wärmekraftwerk? 3) Welchen Wirkungsgrad haben Wärmekraftwerke? Und 4) Was sind die Vor- und Nachteile von Wärmekraftwerken? Für das Verständnis dieses Videos ist es hilfreich, wenn du schon ein bisschen etwas über Temperatur, innere Energie, Wirkungsgrad und Energieumwandlung weißt. Die Themen werden aber auch hier nochmal kurz wiederholt. Um zu verstehen, wie Wärmekraftwerke funktionieren, müssen wir uns erst einmal anschauen, was man unter innerer Energie versteht. Und wie diese mit der Temperatur zusammenhängt. Dafür muss man wissen, dass alle Materie auf der Erde aus kleinsten Teilchen besteht. Je nachdem, ob es sich um einen festen, einen flüssigen oder einen gasförmigen Stoff handelt, können sich die Teilchen in ihm mehr oder weniger frei bewegen. Sie bewegen sich aber immer. Aus der kinetischen Energie aller sich bewegenden Teilchen, ergibt sich die thermische Energie. Abgekürzt mit Eth. Steigt die Temperatur so bewegen sich die Teilchen schneller und die thermische Energie steigt auch. Zwischen den Teilchen in Festkörpern und Flüssigkeiten wirken anziehende Kräfte. Um die Teilchen voneinander zu entfernen muss also Energie aufgewendet werden. Diese Bindungsenergie kann bei chemischen Reaktionen freigesetzt werden, weshalb man sie auch chemische Energie nennt, abgekürzt Echem. Wie ist für jeden Stoff unterschiedlich. Außerdem gibt es noch einen kernphysikalischen Ekern Anteil. Er beschreibt die Energie, die potentiell in den Atomkernen vorhanden ist und bei Kernzerfällen, Kernspaltung oder Kernfusion freigesetzt werden kann. Die Energie eines Körpers oder Stoffes ist die Summe aus diesen drei Energien. Es gilt also: Innere Energie = Eth + Echem + Ekern. Wie wir bereits gesehen haben, steigt die thermische Energie mit der Temperatur. Da die thermische Energie ein Teil der inneren Energie ist, steigt die innere Energie eines Stoffes, wenn seine Temperatur steigt. Das ist auch schon alles, was man an Theorie verstehen muss, um zu wissen, wie ein Wärmekraftwerk funktioniert. Im nächsten teil wirst du sehen, wie so ein Wärmekraftwerk aufgebaut ist. Ein Wärmekraftwerk ist im Wesentlichen aus fünf Teilen aufgebaut. In einem Teil wird chemische oder Strahlungsenergie dazu benutzt, um Wasser zu verdampfen. Das passiert indem die chemische Energie, zum Beispiel von Kohle oder Gas, durch Verbrennen dieser Stoffe in Wärme umgewandelt wird. Oder man nutzt die Wärme, die bei radioaktiven Zerfällen oder bei Sonneneinstrahlung frei wird, um das Wasser zu verdampfen. Es wird also chemische oder Strahlungsenergie in innere Energie des Dampfes umgewandelt. Dabei erreicht das Wasser eine Temperatur von über 500 Grad Celsius und einen Druck von bis zu 200000 Hektopascal. Dieser heiße Dampf wird über Rohre auf die Turbine geleitet. Diese wandelt die innere Energie des Dampfes in kinetische Energie. Wie sie das macht, wollen wir uns etwas näher anschauen. Eine Turbine ist einfach gesagt ein Windrad mit sehr vielen kleinen Blättern. Diese Blätter sind auf einem Laufrad angehordnet, welches sich um eine Achse drehen kann. Von der Seite aus gesehen, sieht das folgendermaßen aus. Die Blätter sind alle etwas geneigt. Trifft nun ein Teilchen des heißen Dampfes auf ein Turbinenblatt so stößt es dagegen und wird langsamer. Durch den Stoß wirkt eine Kraft auf das Turbinenblatt. Da der Dampf durch die gesamte Turbine strömt wirkt auf alle Blätter in dem Laufrad eine Kraft. Dadurch beginnt jedes sich zu drehen. Wenn das Gas die Turbine wieder verlässt, sind die Teilchen in ihm langsamer, da sie durch die Stöße mit den Turbinenblättern Geschwindigkeit verloren haben. Wenn die Teilchen langsamer sind, bedeutet das, dass das Gas hinter der Turbine kälter ist als davor. Somit ist auch die thermische Energie des Dampfes nach durchlaufen der Turbine kleiner als vorher. Es wurde also thermische Energie des Dampfes in kinetische Energie der Turbine umgewandelt. Dabei wird allerdings nicht die gesamte thermische Energie in kinetische umgewandelt. Dadurch, dass sich die Turbine erwärmt, geht ein Teil der Energie in Abwärme verloren, was auch wieder thermischer Energie entspricht. Nach dem Stoß bewegt sich das Dampfteilchen aber immer noch, und hat somit auch noch Energie. Um möglichst viel der inneren Energie des Dampfes in kinetische Energie der Turbine umzuwandeln, baut man die Turbinen mit mehreren Laufrädern. Dazwischen werden sogenannte Leiträder eingebaut. Sie sind fest und können sich nicht bewegen. Durch die Leiträder werden die Dampfteilchen wieder in so eine Richtung gelenkt, dass sie möglichst viel auf die Turbinenblätter übertragen. Es folgt immer ein Leitrad auf ein Laufrad. An die Turbine ist ein Generator angeschlossen. Er wandelt die kinetische Energie der Turbine in elektrische Energie um. Diese können wir dann nutzen um zum Beispiel nachts das Licht anzumachen. Die Prozesse in einem Wärmekraftwerk laufen in einem Kreislauf ab. Unser Bild ergibt aber noch keinen Kreislauf. Was fehlt also noch? Hinter der Turbine ist der Dampf abgekühlt. Er kondensiert im sogenannten Kondensator zu Wasser. Um die Turbine möglichst effizient zu betrieben, sollte man den Druck- und Temperaturunterschied vor und hinter der Turbine möglichst groß machen. Um das zu schaffen, muss man dem Dampf im Kondensator kühlen. Dafür schließt man den Kondensator an einem Kühlwasserkreislauf an. Das Kühlwasser wird entweder einem Fluss entnommen und nach dem Kühlen des Kondensators leicht erwärmt wieder in diesen eingespeist oder man lässt es einen hohen Kühlturm hinabrieseln. Dabei gibt das Wasser seine Energie an die Luft ab. Ein Teil des Wassers verdunstet auch und sorgt somit für weiter Abkühlung. Das verdunstete Wasser sieht man in weißen Wolken aus den Kühltürmen aufsteigen. Das Wasser im Kondensator wird dann in Rohren wieder in den Teil des Kraftwerks geleitet, in dem es verdampft wird. Somit schließt sich der Kreislauf des Wärmekraftwerkes. In Realität benötigt man noch viele andere Dinge um ein Wärmekraftwerk zu betrieben. So braucht es zum Beispiel jede Menge Pumpen um den Wasser- und Dampfkreislauf am Laufen zu halten. Nun wollen wir uns noch anschauen, wie hoch der Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken ist. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel nutzbare Energie man gewinnt, im Vergleich zur ursprünglich zugeführten. Er ist definiert als der Quotient aus Enutz und Eein. Eein ist in diesem Fall die Wärme, die durch die Umwandlung chemischer Energie oder Strahlungsenergie freigesetzt wurde. Einen optimalen Wirkungsgrad erreicht man, wenn der Dampf möglichst heiß ist und mit möglichst vielem Druck durch die Turbine strömt. Dabei ist eine Temperatur von 550 Grad Celsius und ein Druck von 200000 Hektopascal die Obergrenze, ansonsten können die Rohre und die Turbine kaputtgehen. Mit diesen Werten erreicht man Wirkungsgrade von 40 Prozent. Im Vergleich dazu haben Solaranlagen einen etwas halb so großen Wirkungsgrad von 20 Prozent. Während Wasserkraftwerke einen Wirkungsgrad von 90 Prozent haben. Solaranlagen wandeln Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie um. Wasserkraftwerke die potentielle Energie von Wasser in elektrische Energie. Der Vorteil von Wärmekraftwerken ist, dass man es fast überall bauen kann, wo genug Platz ist. Wasserkraftwerke zum Beispiel muss man an bestimmten Stellen an Flüssen oder Seen bauen. Von diesen Stellen gibt es nicht so viele, sodass man auch nur eine begrenzte Anzahl von Wasserkraftwerken bauen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass in einem Wärmekraftwerk auf relativ kleinem Raum sehr viel Energie produziert wird. Für Solaranlagen mit der gleichen Leistung bräuchte man ein Vielfaches an der Fläche. Allerdings haben Wärmkraftwerke auch Nachteile. Verbrennt man Kohle oder Gas, so entsteht CO2. Wird zu viel CO2 ausgestoßen, ist das schädlich für unser Klima. Wärmekraftwerke, die mit Atomenergie betrieben werden, stoßen kein CO2 aus. Dafür sind aber die radioaktiven Abfälle, die dabei entstehen sehr Umweltschädlich und es gibt große Probleme bei der Entsorgung dieser Abfälle. Eine Lösung für diese Probleme ist es, das Wasser durch die Sonne zu erwärmen. Solche sogenannten solarthermischen Wärmekraftwerke können aber noch nicht die gleiche Energie pro Zeit produzieren wie klassische Kohle- oder Atomkraftwerke. Außerdem müssten sie an Orten gebaut werden, an denen viel Sonne scheint, wie zum Beispiel Wüsten. Du siehst also, Wärmekraftwerke haben einige praktische Vorteile. Sie haben aber auch negative Auswirkungen auf unserer Umwelt. So, was hast du heute gelernt? Die innere Energie eines Stoffes nimmt zu, wenn die Temperatur zunimmt. In einem Wärmekraftwerk wird chemische oder Strahlungsenergie erst in innere Energie des Dampfes, dann in kinetische Energie der Turbine und schlussendlich mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. In einem Wärmekraftwerk wird zuerst Wasser verdampft. Der Dampf hat dabei eine Temperatur von circa 500 Grad Celsius und einen Druck von bis zu 200000 Hektopascal. Dann durchströmt das Gas eine Turbine. Diese treibt einen Generator an, der die kinetische Energie in elektrische umwandelt. Hinter der Turbine kommt der Kondensator. Dabei ist es wichtig, dass der Dampf hinter der Turbine möglichst kühl ist. Deshalb ist der Kondensator an einen Kühlkreislauf angeschlossen. Das Wasser aus dem Kondensator wird dann wieder verdampft. Ein Wärmekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von circa 40 Prozent. Die Vorteile von Wärmekraftwerken sind, dass man sie fast überall bauen kann und dass sie relativ wenig Platz brauchen. Allerdings haben sie negative Auswirkungen auf die Umwelt. So, das war es zum Thema Wärmekraftwerke. Ich hoffe, du hast etwas gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal.

5 Kommentare
  1. das mit dem rechnen war etwas schwer denn nicht jeder hat einen Taschenrechner bei sich

    aber ansonsten gutes Video XD

    Von Rob 2, vor mehr als einem Jahr
  2. echt super video aber was ich nicht verstehe was hat die innere energie mit einem Wärmekraftwerk zu tun? bitte um eine Antwort

    Von Familie Knoll, vor mehr als einem Jahr
  3. Echt super Videos, ganz genau erklärt!! Lob.

    Von Juliane Viola D., vor fast 4 Jahren
  4. Aber ansonsten fand ich doch hilfreich :)

    Von Aydanur, vor fast 4 Jahren
  5. Sie sprechen in Video viel zu schnell Mr. Und dass, was sie erzählen ist nicht durchgehend nachvollziehbar! Ausserdem müssen diese Abkürzungen auch garnicht sein, weil man hier versucht zu verstehen, was jedoch leichter ist.! Sie machen es aber durch sowas etwas schwerer

    Von Aydanur, vor fast 4 Jahren

Wärmekraftwerke Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wärmekraftwerke kannst du es wiederholen und üben.

  • 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 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.

  • 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.

  • 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 $\eta_{WasserKW} = 90\%$.