Wechselstrom als Energieträger ist das Thema, welches im Lehrplan der Realschule in Physik Klasse 9 „vorgeschlagen“ war. Warum vorgeschlagen? Ja – manche Lehrer haben das Thema auch durchgenommen, hingegen mussten andere, je nach Bildungsstand der Klasse, es nicht tun. Das Thema wurde in der Klasse 10 erweitert und vervollständigt und sollte durch Kraftwerke und Energieübertragung vervollkommnet werden. Ich will das hier, so weit wie möglich, unkompliziert und einfach erklären.

Wie wird Wechselstrom hergestellt? Warum gerade Wechselstrom?

Ein einfacher Generator (z.B. der Dynamo am Fahrrad) besteht aus einem Magneten, einem besonderen Eisenkern und einer Spule.

Dreht man den Magneten, so entsteht in der Spule Wechselstrom. Das hat den Vorteil, dass dieser Strom ohne Schleifkontakte abgenommen werden kann. Der zweite Vorteil besteht darin, dass man den Wechselstrom mit einem Transformator umformen kann.
 

Der Strom, der in einem Kraftwerk produziert wird, muss mit Hilfe von (Wechselstrom)Überlandleitungen zu den Verbrauchern weiter transportiert werden. Wir haben vorher gesehen, dass der Wechselstrom sehr leicht produziert werden kann. Er kann aber auch sehr leicht umgeformt werden, was beim Gleichstrom nicht so einfach ist.

Muss der Strom zu den Verbrauchern umgeformt werden? 
JA! Dazu eine einfache Rechnung! (Nichtblicker schreien jetzt, dass ich ihnen Zahlen an den Kopf „schmeiße“. Das dient aber dazu, Vorgänge miteinander zu vergleichen.) Ein Kraftwerk hat z.B. eine Leistung P = 1350 MW (1350 Megawatt = 1350 Millionen Watt). Die Leistungsformel (die ich jetzt nicht nachweisen möchte) ist P = U * I (Leistung = Spannung “mal“ Stromstärke). Wird U größer, so wird I kleiner. Wenn U = 25.000 V, dann ergibt sich daraus ein Strom von
I = 1350.000.000 W ÷ 25.000 V = 54.000 Ampere.
Bei dieser Stromstärke würden sich die Überland-Leitungen so stark erwärmen wie ihr Elektroherd in der Küche.
Erhöht man allerdings die Spannung (16 Mal) auf 400.000 Volt, erhält man 16 Mal weniger Strom (Werte gerundet):
I = 1350.000.000 W ÷ 400.000 V = 3.375 Ampere.
 

Dazu ein Vorfall aus dem Jahre 1958 im Banat (Triebswetter). Wir saßen alle beim Spengler-Hans, der damals schon einen Schwarz-Weiß-Fernseher hatte und warteten gespannt auf die Übertragung des Fußball-WM-Spiels der Deutschen. Hans hat die Fernsehantenne auf Belgrad gedreht, denn  Temeswar übertrug das Spiel nicht. Fünf Minuten bevor das Spiel angepfiffen wurde, saßen wir alle im Dunklen. Und ein paar Minuten nach dem Spiel war der Strom wieder da. Und wie haben wir auf die „bösen“ Kommunisten geschimpft, weil die es uns nicht gönnten, das Deutschland-Spiel anzusehen. Das war ungerecht, denn sie wollten das Spiel ja auch sehen. Was war passiert? Zusammenbruch des Wechselstromnetzes!

Um so etwas zu vermeiden, wurde bei uns ein Verbundnetz geschaffen. Unser Netz wird mit einer Frequenz von 50 Hz (ein Hertz = eine Änderung pro Sekunde) betrieben. Dass heißt 1/100 Sekunde fließt der Strom in eine Richtung (die Halbwelle nach oben) und in der nächsten 1/100 Sekunde in die entgegengesetzte Richtung (die Halbwelle nach unten). Alle zusammengeschalteten Generatoren müssen synchron laufen, damit sich die Halbwellen bei den Verbrauchern addie-ren.

Bei den Situationen, wie bei einem Fußballländerspiel werden zusätzlich Kraftwerke dazugeschaltet, die nennt man Pumpspeicherkraftwerke. So ein Pumpspeicherkraftwerk besteht aus zwei Seen, einem Ober- und einem Untersee. Wasser wird im Obersee angesammelt, und wenn man Strom benötigt, wird es durch Druckrohre ins Tal gelassen, wo über Turbinen Generatoren betrieben werden. Nachts, wenn Wärmekraftwerke leer laufen würden, wird das Wasser wieder in den Obersee zurückgepumpt. Eine Stromspeichermöglichkeit!
 

In diesem Kontext, müssen sich die Kraftwerksbetreiber auch darum kümmern und darauf einstellen, wann eine Spitzenlast anfällt und die Generatoren bereits in Gang setzen, bevor der Strom gebraucht wird. Das geschieht also kurz vor Mittag, bevor das Mittagessen zubereitet wird, vor dem Krimi am Abend, vor dem Fußballländerspiel und in der Pause dessel-ben. (Da laufen dann alle – millionenfach - an den Kühlschrank, um das nächste gekühlte Bier herauszunehmen.) Kurzum: der Strom muss schon produziert werden, bevor er eingeschaltet wird, sonst gibt es einen Zusammenbruch. 
 

Dezentrale Energieversorgung?
Nun werden neulich Stimmen immer lauter, dieses Verbundnetz doch aufzugeben und eine „dezentrale Energieversorgung“ aufzubauen. (Man muss hier immer wieder das Wort Energieversorgung mit Stromversorgung ersetzen.)

Mit dem Aufkommen der sogenannten „erneuerbaren“ Energiequellen – Solarenergie und Windenergie – kommt es nach und nach zum Problem, das Synchronlaufen der Generatoren aufrechtzuerhalten. Wir sind Teil eines Verbundnetzes aus ganz Europa vom Nordkap bis Sizilien. 

Es gibt parteipolitische Forderungen, dieses Verbundnetz zu verlassen. Das wird nicht direkt verlangt – weil man sich nicht auskennt – aber durch die Forderung es doch „dezentral“ zu machen, wird es indirekt gefordert. 
 

In der rechten Spalte wird das Synchronlaufen der Generatoren simuliert: Alle müssen gleichzeitig die positive Halbwelle (nach oben) und die negative (nach unten) durchlaufen, um die Frequenz von 50 Hz für das Verbundnetz sicherzustellen.

Wie ist das nun mit der Solaranlage? Sie liefert Gleichstrom, also muss dieser in Wechselstrom umgewandelt werden. Mit der Elektronik heute ist das kein Problem. Der Strom kann ohne Weiteres synchron eingespeist werden.

Es gibt Meinungen, die behaupten, dass die Solaranlage auch dann Strom liefert, wenn es bewölkt ist. Ja ganz sicher! Aber nur 5% der Kapazität. Klartext: von den 20 Glühbirnen, die sie betreiben, geht nur noch eine! Und nachts? In diesen Fällen muss ein anderes Kraftwerk einspringen! Welche Wahl haben wir denn?

Wie ist das mit den Windkraftwerken? Sie liefern Wechselstrom und könnten sich einfach ins Verbundnetz integrieren lassen. Was passiert aber, wenn der Wind nicht so richtig will, oder wenn es Windstille gibt? Ist es eine zuverlässige Energiequelle, die immer dann Strom liefern kann, wenn ich ihn benötige? Wo muss der Strom herkommen, wenn die Windenergie ausfällt?
 

Ein Kohlekraftwerk besteht aus einem Kessel, einer Turbine, die mit einem Generator gekoppelt ist, einem Kondensator, einem Transformator und einem Kühlturm. Im Kessel wird ein fossiler Brennstoff verbrannt, der die Wärme liefert, um Wasser zum Sieden zu bringen, wobei der entstandene Dampf eine Turbine antreibt. Die Turbine ist mit einem Generator gekoppelt, der Wechselstrom erzeugt, der vom Transformator hochgespannt wird. Unterhalb der Turbine ist ein Kondensator verbaut, der den Wasserdampf kühlen muss, damit er sich wieder verflüssigt. Das Wasser wird zurück in den Kessel gepumpt. Das muss so sein, damit über den Dampf ein Druck und über den Kondensator ein Sog auf die Turbinenschaufelräder erzeugt wird. Das erhöht den Wirkungsgrad. Der Kondensator ist mit dem Kühlturm verbunden, in welchem das aus einem Fluss entnommene Wasser für die Kühlung wieder abgekühlt wird, bevor es wieder in den Fluss gepumpt wird. Dabei entstehen am oberen Kühlturmrand  Dampffahnen, die uns gerne als „schädliche Abgase“ präsentiert werden.

Die ersten Kohlekraftwerke gaben über den Schlot alles mögliche an die Atmosphäre ab. Ja – es wurde sogar Radioaktivität an die Umwelt abgegeben – dass wusste aber in jener Zeit niemand. Da Steinkohle auch viel Schwefel enthält, wurde über die Abgase auch Schwefeldioxid abgegeben, was zum sauren Regen führte. Um das zu verhindern, wurden mehrere Filter in die Steinkohlekraftwerke eingebaut. In der Skizze obenan, kann man erkennen, dass durch die Filterung des Schwefeldioxids etwa 10 Tonnen Gips pro Stunde entstehen, das macht durch den Abtransport den Kohlestrom sehr teuer. Überall, wo auf der Skizze ein LKW steht, wird pro Stunde tonnenweise Abfall, der abtrasportiert werden muss, erzeugt.
 

Diese Kraftwerke sind nicht sicher!
Das stimmt schon, geht man davon aus, dass der Reaktor nach außen mit einem doppelten Stacheldrahtzaun gegen das Eindringen von „friedlichen“ Demonstranten geschützt werden muss. Für diesen Schutz müssen 30% der Betriebskosten angesetzt werden. Und wer zahlt den Spaß?

Die Radioaktivität wird durch die Brennstofftablette, dem Hüllrohr, der Druckgefäßwand (25 cm Stahl), dem biologischen Schild (2 m Beton) abgeschirmt. Des weiteren wird noch ein Splitterschutzzylinder (1,5 m Beton) und eine Sicherheitskugel (56 m Durchmesser mit 5 cm Stahl) eingebaut, damit man eine eventuelle Explosion im Inneren auffangen könnte. Nach Außen haben wir dann noch eine 2 m dicke Betonhülle und alles ist auf einer 3 m dicken Betonplatte aufgebaut.

Das Reaktordruckgefäß wird mit einem Deckel, der 320 Tonnen wiegt verschlossen (eine Schraubenmutter wiegt 650 kg). (Dieser Deckel und die Sicherheitskugel waren im Tschernobylreaktor auch nicht vorhanden. Wenn bei uns der Deckel geöffnet werden muss, wird der Reaktor erst runtergefahren und die Kettenreaktion bleibt stehen. Der Tschernobylreaktor hatte diesen Deckel nicht, dafür konnte man jedes einzelne Brennelement während des Betriebs austauschen. Ein Tschernobyl kann also bei unseren Reaktoren nicht passieren!)
 

Die Kettenreaktion und Kernspaltung im Druckgefäß wird mit Hilfe von Steuerstäben (Borkarbid), die zwischen die Brennstäbe ein- oder ausfahren können, geregelt. Sollte da einmal eine Panne entstehen, gibt es den Druckhalter, über welchen Borwasser in den Reaktor eingelassen werden kann, um ihn sofort komplett runterfahren zu können.

Im Maschinenhaus haben wir eine Hochdruckturbine, drei Niederdruckturbinen (siehe dazu extra Bild), den Generator und den Kondensator. Alles ist auf einer Achse, die 70 m lang ist, aufgebaut und funktioniert einwandfrei, weil alles mit drei verschiedenen unabhängigen Kontrollsystemen kontrolliert und bewacht wird.

Durch den Kondensator fließen 60 m3 Wasser pro Sekunde. Das sind 60.000 Liter. Ein Vergleich: ein 6m x 10m Zimmer, in welchem 1 m hoch Wasser steht. Da sich dieses Wasser um etwa 10°C erwärmt, muss es, bevor es zurück in den Rhein kommt, abgekühlt werden. Das geschieht im Kühlturm, in welchem das Wasser etwa 12 m hoch gepumpt, von wo es runterrieselt und dabei abgekühlt wird. Gleichzeitig entsteht an der oberen Kante des Kühlturmes eine Dampffahne. (Oh Schreck – welche Umweltverschmutzung!) Aus dem Kühlturm muss das Wasser nicht zurück in den Rhein, es kann zurück in den Kondensator gepumpt werden.  (Wenn im Winter die Temperatur sinkt, kann  man 20 MW mehr Strom gewinnen!)
 

1.) Radioaktive Abfälle in Glasperlen einschmelzen;

2.) mit Beton vergießen;

3.) in Stahlfässer füllen;

4.) 700m tief im Salzstock (wo es seit Jahrmillionen kein Wassereinbruch gab) endlagern!
 

Warum gibt es kein Konzept?
Wer hat kein Konzept?