Energiearten und Stromerzeugung.
Energie ist überall und jederzeit vorhanden. Sie bestimmt unser Leben, denn ohne Energie ist im Winter das Wohnzimmer kalt. Züge und Autos werden durch sie angetrieben und an moderne Kommunikation wäre gar nicht zu denken.
Das Schöne an der Energie: Sie muss nicht produziert werden, sondern liegt bereits in vielen verschiedenen Formen in der Natur vor. Nun liegt es an uns, dieses Potential nutzbar zu machen und die damit verbundenen negativen Folgen möglichst gering zu halten.
Zu den verschiedenen Formen zählen unter anderem die potenzielle Energie (Lageenergie), kinetische Energie (Bewegungsenergie), elektrische Energie, thermische Energie, chemische Energie, sowie Kern- und Strahlungsenergie. Diese verschiedenen Formen können untereinander umgewandelt werden.
Wenn die Strahlungsenergie der Sonne auf eine Solarzelle fällt, wird diese in elektrische Energie umgewandelt. Die Solarzellen bestehen aus Silizium und weiteren Fremdatomen. Trifft nun Licht auf die Zelle, werden Elektronen frei. Durch die Verunreinigung findet eine Polung statt und Protonen sammeln sich auf der einen, Elektronen auf der anderen Seite. Wird nun ein Verbrauchsgerät angeschlossen, fließt Strom.
Wasserkraft
Sehen wir uns einen Fluss an. Die meisten entspringen im Gebirge und münden ins Meer. Aufgrund der erhöhten Lage besitzt das Wasser potenzielle Energie. Fließt es den Berg hinunter kann die nun kinetische Energie durch ein Wasserrad in elektrische Energie umgewandelt werden.
Windenergie ist ebenfalls kinetische Energie. Die bewegte Luft versetzt die Rotorblätter der Windkraftanlage in Bewegung. Über eine Welle wird ein Generator angetrieben, der nun elektrische Energie produziert.
Thermische Energie wird für technische Prozesse benötigt und tritt bei nahezu allen Umwandlungs- oder Übertragungsprozessen als nicht mehr nutzbare “Abfallenergie” auf.
Erneuerbare und fossile Energien.
Erneuerbare Energien stehen uns nahezu unerschöpflich zur Verfügung oder regenerieren sich in kurzer Zeit. Sie stehen überall auf der Welt zur Verfügung, lediglich die Stärke kann in unterschiedlichen Regionen variieren.
Bioenergie, Geothermie, Meeresenergie, Wasserkraft, Sonnenenergie und Windenergie zählen zu den regenerativen Energien.
Demgegenüber stehen die fossilen Energien, die auf unserer Erde nur begrenzt zur Verfügung stehen. Sie kommen meist nur an bestimmten Standorten vor und regenerieren sich sehr langsam bis gar nicht. Zu den fossilen Brennstoffen gehören Erdöl, Erdgas, Braunkohle und Steinkohle.
Sie haben unter anderem durch ihre hohe Leistungsfähigkeit die Energieversorgung in den letzten Jahren dominiert. Bei der Verbrennung dieser Ressourcen entsteht Feinstaub und es wird CO2 ausgestoßen. Die Kehrseite dieser Energiegewinnung sind der Klimawandel, Umweltkatastrophen und zerfallende Ökosysteme.
Wie funktionieren Solaranlagen?
Die Solarzellen bestehen meistens aus Silizium – einer der häufigsten Stoffe auf der Erde. Silizium ist ein Halbleiter und verbessert dadurch bei Lichtzufuhr seine Leitfähigkeit. Trifft nun Sonnenlicht auf die Siliziumplatten, werden Elektronen frei. Werden nun die Fremdmetalle Bor und Phosphor eingebunden, kommt es zur Ladungsverschiebung. Es entsteht eine
n-dotierte Schicht: negativ geladen (Phosphor)
p-dotierte Schicht: positiv geladen (Bor)
Was gibt es für Arten von Solarzellen?
Monokristalline Zellen
Monokristalline Solarzellen bestehen aus einkristallinem Silizium. Bei der Herstellung wird das Silizium in Stabform aus der Schmelze gezogen und in dünne Scheiben geteilt.
Diese Zelle ist aufgrund ihres hohen Siliziumanteils bei direkter Sonneneinstrahlung am effektivsten. Sie sind wegen der speziellen Produktion recht kostenintensiv.
Polykristalline Zellen
Die Herstellung ist weniger aufwendig und deswegen nicht so kostspielig. Polykristalline Zellen gelten deswegen häufig als Preis-Leistungs-Sieger. Der Wirkungsgrad ist jedoch etwas niedriger.
Dünnschichtzellen
Dünnschichtzellen sind ebenfalls aus Silizium hergestellt, gehören aber zu den nichtkristallinen Zellen. Das Silizium wird mit anderen Materialien vermischt und anschließend sehr dünn auf ein Trägermaterial aufgedampft.
Dünnschichtzellen sind aufgrund des flexiblen Trägerstoffes oft roll- oder faltbar. Der Wirkungsgrad ist hierbei allerdings eher gering. Die Zellen sind durch die einfache Produktion günstiger als kristalline Zellen.
Wie funktioniert eine Windkraftanlage?
Bevor man die Funktionsweise einer Windkraftanlage erläutern kann, muss eine wichtige Frage geklärt werden:
Wie entsteht Wind?
Scheint die Sonne auf die Erde, erwärmt sich die Luft der Atmosphäre. Unterschiedliche Regionen werden verschieden stark erwärmt und es kommt zu Druckunterschieden. Diese gegensätzliche Druckgebiete gleichen sich durch Luftströmungen aus, den Wind.
Um diesen Wind für die Energieerzeugung zu verwenden, wird bei modernen Windkraftanlagen das Auftriebsprinzip genutzt.
Der Wind trifft frontal auf die Rotorblätter, die wie die Tragflächen eines Flugzeuges gewölbt sind. Dadurch legt der Wind auf der Oberseite der Blätter einen längeren Weg als auf der Unterseite zurück. Oberhalb des Flügels entsteht ein Unterdruck, der eine Kraft erzeugt.
Diese Kraft bringt den Rotor in Bewegung. Die kinetische Energie des Windes wird in Rotationsenergie umgewandelt. Diese Drehbewegung wird an einen Generator übertragen. Dabei wird durch elektromagnetische Induktion eine Spannung induziert.
Die europäische Wechselstromfrequenz beträgt 50 Hertz. Windräder drehen sich teils zu schnell oder zu langsam, um auf die Frequenz zu kommen. Deshalb befindet sich zwischen Rotor und Generator ein Getriebe.
Um bei Stürmen Schäden, aufgrund von zu hohen Drehzahlen zu vermeiden, gibt es zwei Lösungen:
Pitch-Regelung: Rotorblätter werden bei zu starker Luftströmung aus dem Wind gedreht. Der Rotor dreht sich folglich trotz hoher Windgeschwindigkeit in der erforderlichen Geschwindigkeit
Stall-Regelung: Rotorblätter werden so designt, dass sich bei zu starkem Wind Verwirbelung um das Rad bilden. Diese verlangsamen dann die Rotationsgeschwindigkeit.
Wie ist eine Windkraftanlage aufgebaut?
Gondel
- Die Gondel ist drehbar gelagert.
- Sie enthält alle mechanischen und elektromechanischen Bestandteile zur Umwandlung der Drehrotation in elektrische Energie.
- Es gibt drei glasfaserverstärkte Rotorblätter für den besten Wirkungsgrad diese können je nach Windstärke beliebig gedreht werden.
Turm
- Die Höhe des Turms ist standortabhängig und kann bis zu 150m betragen.
- Es gibt verschiedenste Konstruktionen – Stahlrohrtürme, Betontürme, Hybridtürme, Gittertürme.
- Die Art des Turms hängt unter anderem von der Windstärke und Höhe der Nabe ab.
Fundament
- Das Fundament sorgt für einen stabilen Halt, damit die Windkraftanlage nicht einsinken oder umfallen kann und fest im Boden verankert ist.
- Es besteht aus Beton und Stahl
und ist je nach Anlagetyp beispielsweise achteckig oder kreisförmig. - Onshore-Fundamente: Flachgründung, Pfahlgründung
- Offshore-Fundamente: Schwerkraftgründung, Einpfahlstruktur, Bucket Fundament, schwimmendes Fundament
