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Das Pumpspeicherwerk (PSW) Goldisthal ist ein Pumpspeicherkraftwerk im Thüringer Schiefergebirge am Oberlauf der Schwarza zwischen Goldisthal und Scheibe-Alsbach und wurde im Jahr 2003 in Betrieb genommen.
Es ist mit einer Leistung von 1.060 MW das größte Wasserkraftwerk Deutschlands und eines der größten Europas.
Auf Grund intensiver Auseinandersetzungen mit dem Naturschutzverband BUND hat der Bau indirekt zur Gründung der Naturstiftung David geführt.
Die Anlage des PSW [Bearbeiten]
zur allgemeinen Funktionsweise siehe:Pumpspeicherkraftwerk
Das künstlich angelegte, umgehbare Oberbecken befindet sich in einer Höhe von etwa 880 m ü. NN auf der Moosbergebene am Großen Farmdenkopf und fasst ein Nutzvolumen von ca. 12 Mio. m³ Wasser bei einer Fläche von 55 ha. Diese Wassermenge reicht für acht Stunden Turbinen-Volllastbetrieb und könnte dabei den Freistaat Thüringen allein versorgen. Um dieses Becken zu schaffen, wurde der Berggipfel abgetragen.
Durch zwei etwa 800 m lange Druckwasser-Stollen, die um 25 Grad gegen die Horizontale geneigt sind, ist das Oberbecken mit den Pumpturbinen in einer großen Maschinen-Kaverne (L/B/H 137 m/26 m/49 m), einem unterirdischen Hohlraum mehrere hundert Meter tief im Berg, verbunden. Der Höhenunterschied beträgt dabei knapp 350 m. Neben der Maschinen-Kaverne existiert auch eine ebenfalls sehr große Trafo-Kaverne (L/B/H 122 m/15 m/17 m).
Nach Turbinendurchfluss wird das Wasser durch große Rohrleitungen zurück in das Unterbecken geführt und strömt dort mehr als 20 m unterhalb des Wasserspiegels wieder ein. Dieses als Stausee ausgebildete Becken fasst etwa 18,9 Mio m³ und liegt auf einer Höhe von 550 m über NN, damit beträgt die Nennförderhöhe beim Heraufpumpen des Wassers gut 300 m. Das Unterbecken wird durch den Aufstau der Schwarza durch einen 67 m hohen Staudamm etwa 500 m oberhalb der Ortschaft Goldisthal gebildet. Der Schwarza-Stausee erfüllt auch gewisse Hochwasserschutz-Funktionen, die jedoch eher gering sind, da es sich bei der Schwarza in diesem Bereich, nicht einmal drei Kilometer von ihrer Quelle entfernt, eher um einen Bach als um einen Fluss handelt. Das Unterbecken hat eine Vorsperre namens Gräftiegelsperre, welche 0,7 Mio. m³ Wasser fasst und die Höhenschwankungen des Unterbeckens vom vorherigen Flusslauf ausgleicht.
Als Besonderheit besteht in Goldisthal die erste drehzahlgeregelte Pumpspeichereinheit in Europa. Von den insgesamt vier Pumpturbinen arbeiten zwei mit variabler (asynchroner) und zwei mit konstanter (synchroner) Drehzahl. Solche kombinierten Maschinensätze, die ihre Leistung sowohl im Turbinenbetrieb bei der Energieerzeugung als auch im Pumpbetrieb bei der Energiezuführung flexibel und kontinuierlich an die Erfordernisse anpassen und dadurch mit dem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden können, wurden zuvor nur in Japan in Betrieb genommen.
Geschichte des Baus [Bearbeiten]
Von Anfang an waren die Planungen zum Bau dieses Kraftwerks sehr umstritten und führten zum breiten Widerstand insbesondere von Umweltschutzgruppen, namentlich von BUND und Grüner Liga, die das Großprojekt nicht nur wegen des landschaftlichen und ökologischen Eingriffs (das betroffene Gebiet war u. a. ein Lebensraum der vom Aussterben bedrohten Auerhühner), sondern auch als “Energiefresser” stark kritisierten.
Damm des Unterbeckens
Damm und Ablauf oberhalb von Goldisthal
1965 wurden die ersten Überlegungen der DDR zum Bau eines Pumpspeicherkraftwerks an diesem Standort bekannt. 1975 begannen die ingenieurgeologische Erkundung und die ersten Maßnahmen zur Bauvorbereitung. Über 200 ha Wald wurden gerodet und eine Zufahrtsstraße gebaut. In den darauf folgenden Jahren wurden umfangreiche Erd- und Felsarbeiten durchgeführt. 1980/1981 wurde das Großprojekt wegen Geldmangels gestoppt. 1988 beschloss die DDR-Regierung die Wiederaufnahme der Bauvorbereitungen und damit die Fortführung des Projektes. Nach der Wiedervereinigung prüfte 1991 die Vereinigte Energiewerke AG (VEAG) das Projekt auf seine Wirtschaftlichkeit und kam zu einem positiven Ergebnis. Daraufhin wurden die Planungen wieder voran getrieben und 1993 das Planfeststellungsverfahren eröffnet. 1995 wurde der Bau EU-weit ausgeschrieben. 1996 reichte der BUND Thüringen beim Verwaltungsgericht Meiningen Klage gegen den Bau ein. Dieser Rechtsstreit zwischen VEAG und BUND wurde 1997 beigelegt, da einerseits die Aussichtslosigkeit der Klage schnell klar wurde und andererseits die VEAG an einem zügigen Verfahren interessiert war und deshalb den außergerichtlichen Vergleich suchte. Mit der ausgehandelten Vergleichssumme von ca. 3,58 Millionen Euro (exakt 7 Millionen DM) rief der BUND im Jahr 1998 nach Klage-Rückzug die “NATURstiftung David”, eine Umweltstiftung “zur Förderung von Projekten für den Naturschutz und von regenerativen Energien in den neuen Bundesländern”, ins Leben.
Noch 1997 begannen schließlich die Bauarbeiten. 2003 wurde der Kraftwerksbetrieb fortschreitend aufgenommen und am 30. September 2003 das Kraftwerk offiziell eröffnet. Seit 2004 laufen alle vier Maschinensätze im Dauerbetrieb. Betrieben wird das PSW Goldisthal heute vom Energiekonzern Vattenfall Europe AG. Die Baukosten betrugen 600 Millionen Euro[1].
Tourismus [Bearbeiten]
Unterbecken
Das bewaldete Umfeld des Kraftwerk Goldisthal ist ein beliebtes Wandergebiet. Mittlerweile ist auch das Pumpspeicherkraftwerk selbst und seine beiden Seen ein Ausflugsziel für energiewirtschaftlich Interessierte, welche das Besucherinformationszentrum am Kraftwerk und die Aussichtsplattformen mit weiten Blicken in die umgebende Landschaft nutzen können. Es sind auch Führungen möglich, welche wegen großer Nachfrage aber schon für sechs Monate im Voraus angemeldet werden müssen.
Jegliche freizeit- und wassersportliche Nutzung der beiden künstlichen Seen ist jedoch aus Sicherheitsgründen verboten, da die Wasserspiegel während des Kraftwerksbetriebes um mehrere Meter schwanken können und starke Strömungen sowie Strudel entstehen. Seit 2006 kann im Unterbecken geangelt werden. Zur Sicherheit ist das Oberbecken komplett eingezäunt, da jemand, der versehentlich die glatte 50° steile Umrandung hinabrutscht, nicht mehr ohne fremde Hilfe nach oben klettern kann. Die einzigen beiden Ausstiegsmöglichkeiten sind die Zufahrtsrampe und ein Geländer an der Wasserentnahmestation. Diese können jedoch, je nach Unglücksstelle, bis 900 m entfernt sein - in dem auch im Sommer sehr kalten Wasser kann diese Entfernung normalerweise nicht bewältigt werden.
Ein Pumpspeicherkraftwerk (auch Pumpspeicherwerk (PSW) genannt) ist eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes und dient der Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in potentielle Energie von Wasser.
Funktionsweise [Bearbeiten]
Rohrleitungen des Pumpspeicherkraftwerks Wendefurth an der Talsperre Wendefurth im Harz
Speicherung [Bearbeiten]
Zu Zeiten, in denen ein “Überschuss” an elektrischer Energie vorhanden ist (in der Regel nachts), wird Wasser über Speicherpumpen durch Rohrleitungen in ein hochgelegenes Speicherbecken (Oberbecken) gepumpt. Dieser See ist entweder natürlichen Ursprungs oder entsteht durch Aufstauen durch eine Staumauer oder einen Staudamm. Es gibt Oberbecken, die ausschließlich durch Pumpen gefüllt werden und solche, die auch durch natürlichen Zufluss gespeist werden.
Die Höhe der Speicherkapazität ist grundsätzlich abhängig von der speicherbaren Wassermenge und dem nutzbaren Höhenunterschied zwischen Oberbecken und der Turbine. Auch verrohrte Strecken unterhalb der Turbine bis zum Auslauf sind für die Turbine nutzbar. Bei reinen Pumpspeicherwerken ist die Speicherkapazität meist so ausgelegt, dass die Generatoren ca. 4 bis 8 Stunden unter Volllast Strom produzieren können.
Energieumwandlung [Bearbeiten]
Kennzeichen eines Pumpspeicherkraftwerkes ist der reversible Anlagenbetrieb. Eine Turbine, ein Motor-Generator und eine Pumpe sind auf einer Welle montiert und bilden eine Einheit, die zwei Betriebsarten hat: bei Strombedarf arbeitet der Motor-Generator als Generator und liefert, von der Turbine angetrieben, elektrischen Strom. Das Wasser fließt dabei vom Ober- ins Unterbecken und liefert die Antriebsleistung. Bei Überschuss an elektrischer Leistung im Stromnetz arbeitet der Motorgenerator als Elektromotor und treibt die Pumpe an, welche das Wasser wieder in das Oberbecken pumpt.
Neben dieser klassischen Bauweise werden heute auch Pumpturbinenkraftwerke gebaut, die anstelle der Turbine und der Pumpe mit so genannten Pumpturbinen ausgerüstet sind. Bei der Pumpturbine handelt es sich um eine Strömungsmaschine, die in beiden Richtungen durchströmt werden kann und je nach Drehrichtung als Pumpe oder Turbine arbeitet.
Energiewirtschaftliche Bedeutung [Bearbeiten]
Tagesgang eines Pumpspeicherkraftwerkes. Grün bedeutet Leistungsaufnahme aus dem Netz durch Pumpen; Rot Leistungsabgabe ins Netz durch die Turbine.
Die Fähigkeit der Pumpspeicherkraftwerke, Energie aufzunehmen als auch abzugeben wird zur Regelung des Stromnetzes genutzt. In Deutschland ist eine Pumpspeicherleistung von etwa 7 GW installiert, die bei einer Jahreslaufzeit von 1070 h eine Stromerzeugung von 7,5 TWh als so genannte “Regelenergie” liefert.
Die Leistung steht bei Bedarf innerhalb von Minuten zur Verfügung und kann in einem weiten Bereich flexibel geregelt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber konventionellen thermischen Kraftwerken, deren Leistung sich nur im Bereich von mehreren Stunden anpassen lässt. Diese Regelenergie wird sowohl zum Abfangen von Bedarfsspitzen als auch zum Abfangen plötzlicher Verbrauchseinbrüche eingesetzt.
Starklastzeiten, die von Pumpspeicherkraftwerken bedient werden, sind insbesondere mittags, bei bestimmten medialen Ereignissen wie Fußballspielen oder bei Unwettern, die mit plötzlicher Kälte oder Dunkelheit verbunden sind.
Dank ihrer so genannten Schwarzstartfähigkeit können Pumpspeicherkraftwerke bei totalen Stromausfällen zum Anfahren anderer Kraftwerke eingesetzt werden.
In kleinem Maßstab wurden Pumpspeicherkraftwerke erstmals in den 1920ern realisiert. Einer der deutschen Ingenieure, die die Technik für groß dimensionierte Pumpspeicherkraftwerke als weltweite Pionierleistung entwickelt haben, war Arthur Koepchen. Nach ihm wurde das 1930 in Betrieb genommene PSW Koepchenwerk der RWE AG in Herdecke an der Ruhr benannt.
Oberer Speichersee und Entnahmebauwerk des Koepchenwerkes
Ökonomie [Bearbeiten]
Bei niedrigem allgemeinen Energiebedarf und folglich niedrigen Strompreisen fungiert der Generator als stromverbrauchender Motor und pumpt Wasser hoch. Mit diesem Wasser wird in Spitzenzeiten des Stromverbrauchs Strom produziert, der notwendig ist, um die Stromversorgung nicht kollabieren zu lassen und entsprechend teuer verkauft wird. Wenige Minuten nach der Anforderung von der Verteilerzentrale kann so ein Speicherkraftwerk stundenlang volle Leistung abgeben. Wie man der Tabelle entnehmen kann, kann kein anderes Speicherverfahren auch nur annähernd mit den Leistungsdaten eines Pumpspeicherkraftwerks konkurrieren.
Laufwasserkraftwerke und thermische Kraftwerke wie Kernkraftwerke oder Kohlekraftwerke liefern möglichst konstante Leistung und können nur innerhalb von Stunden oder Tagen hoch- und heruntergefahren werden. Dadurch und bei Teillastbetrieb sind sie nicht besonders effizient. Gleichzeitig gibt es im Tages- und Wochenverlauf einen stark schwankenden Stromverbrauch. Daher ist der Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken wirtschaftlich sinnvoll. Sie bieten eine Möglichkeit, den z. B. nachts oder zu absatzschwachen Tageszeiten ins Netz eingespeisten Strom, der zu vergleichsweise günstigen Preisen verfügbar ist, zeitlich versetzt in deutlich teurer absetzbaren Strom für Bedarfsspitzen umzuwandeln. In der Regel erreicht der Verkaufspreis bei diesem Geschäft ein Vielfaches des Einkaufspreises. Es war von Anfang an klar, dass dieses System technisch funktioniert, aber der ökonomische Nutzen wurde erst durch die Inbetriebnahme des Koepchenwerkes nachgewiesen.
Pumpspeicherkraftwerke nehmen in der Regel täglich eine gleich bleibende Strommenge für den Pumpbetrieb ab. Ihre Existenz sichert dadurch auch einen Teil der wirtschaftlichen Risiken thermischer Kraftwerke ab, die so auch nachts praktisch nicht benötigten Strom ins Netz einspeisen können.
Auch durch den weiteren Anstieg der sehr unregelmäßigen Stromproduktion aus Windenergie wird mit einer steigenden Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken gerechnet, da Windenergie zumeist starken zeitlichen Schwankungen unterliegt und deshalb Speichermöglichkeiten benötigt. Problematisch ist, dass zwischen den optimalen Gebieten der Windkraftwerke an der Küste und den Standorten möglicher Pumpspeicherwerke in den Mittelgebirgen einige 100 km liegen, die zur Zeit nicht durch leistungsstarke Fernleitungstrassen überbrückt sind.
Wirkungsgrad [Bearbeiten]
Grundsätzlich wird in jedem Pumpspeicherkraftwerk mehr Energie zum Hochpumpen benötigt als beim Herunterfließen wieder zurückgewonnen werden kann. Weil somit bei Pumpspeicherkraftwerken elektrische Energie verloren geht, sind sie ökologisch umstritten, zumal der Bau von Pumpspeicherkraftwerken einen teilweise erheblichen Eingriff in Natur und Landschaft darstellt. Sie sind jedoch zur Zeit das großtechnische Verfahren mit dem höchsten Wirkungsgrad, elektrische Energie bei Schwankungen der Nachfrage und des Angebotes zwischenzuspeichern. Bei modernen Werken werden zwischen 75 % und 80 % der zugeführten Elektroenergie wieder zurückgewonnen. Hinzu kommen noch geringe Leitungsverluste für Hin- und Rücktransport der elektrischen Energie.
Das Hoch- und Herunterfahren konventioneller Kraftwerke würde wesentlich größere Verluste als diejenigen der Pumpspeicherwerke verursachen.
Alternativen [Bearbeiten]
Neben Pumpspeicherkraftwerken, die Wasser verwenden, gibt es auch Druckluftspeicherkraftwerke, die mit Druckluft arbeiten. Diese haben jedoch einen insbesondere bei großem Druckunterschied deutlich schlechteren Wirkungsgrad von nur 42 % (siehe Carnot-Kreisprozess).
Eine Alternative zu Speicherkraftwerken sind Spitzenlastkraftwerke, die aber sehr unwirtschaftlich arbeiten, weil sie nur kurzzeitig laufen und trotzdem ständig betriebsbereit gehalten werden müssen. Dezentrale Blockheizkraftwerke sind nur bedingt eine Alternative, da die Wärme nur für kurze Zeit zwischengespeichert werden kann.
Die Speicherung von - volkswirtschaftlich gesehen - sehr geringen Mengen Elektroenergie ist auch direkt mit Doppelschichtkondensatoren oder chemisch mit Akkumulatoren möglich. Die Speicherung mit Doppelschichtkondensatoren hat zwar einen höheren Wirkungsgrad, erfordert jedoch einen unvergleichlich höheren Anlagenaufwand (Wechselrichter), sie wird daher nur vereinzelt in Gleichstrom-Oberleitungsnetzen von Stadtbahnen zur Pufferung eingesetzt, um eine Rückspeisung von Bremsenergie zu ermöglichen.
Akkumulatoren böten ähnliche Wirkungsgrade wie Pumpspeicherwerke, erforderten jedoch ebenfalls einen weit höheren Anlagenaufwand, daher werden sie nur in Photovoltaikanlagen im Inselbetrieb eingesetzt.
Aus der Tabelle ist aber klar erkennbar, dass diese Techniken bei weitem nicht mit den Pumpspeicherkraftwerken bei Aufgaben der allgemeinen Stromversorgung konkurrieren können. Insbesondere sind die Erwartungen in die Energiespeicherung in Wasserstofftanks meist sehr übertrieben, denn die Berechnung ergibt eine Speichereffizienz von weniger als 20 %.
Energietechnik ist eine fachübergreifende Ingenieurswissenschaft. Sowohl Maschinenbauer (Turbinen, Heizkessel, Reaktoren), Elektrotechniker (Generatoren, Transformatoren, Regelung) als auch Bauingenieure (Dammbau, Maschinenhaus) beschäftigen sich u.a. mit der Effizienz von Energieumwandlung, Energietransport und Energienutzung.
Energiebereitstellung [Bearbeiten]
Ein Großteil unserer täglich verfügbaren Energie wird als elektrischer Strom in Kraftwerken bereitgestellt. Dabei werden verschiedene Arten von Energiequellen (Kohle, Gas, Sonne, Uran, Wind) in Nutzenergie (Licht, Wärme, Kälte) umgewandelt. Der Bedarf an Energie in einem öffentlichen Elektroenergienetz ist stark von saisonalen Schwankungen geprägt. Im Sommer wird weniger Strom für Licht und Wärme benötigt als im Winter. Auch während eines Tages treten große Schwankungen auf. So ist eine Spitze des Strombedarfs eines öffentlichen Netzes vor allem morgens zwischen 6-8 Uhr, zwischen 11-13 Uhr und zwischen 19-22 Uhr zu bemerken. Elektrische Energie lässt sich bis heute nicht in nennenswertem Umfang speichern. Daraus folgt, dass Erzeugung und Verbrauch der elektrischen Energie immer im Gleichgewicht sein müssen. Dies führt zu einer aufwändigen und teuren Regelung des Netzes und der Kraftwerke. Schwankungen bei der Erzeugung und beim Bedarf regionaler Stromnetze werden ausgeglichen, indem mehrere regionale Stromnetze miteinander verbunden und Pumpspeicherkraftwerke als Energiepuffer eingesetzt werden. In Europa sind die Höchstspannungsnetze im Verbund der UCTE (Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity) zusammen geschaltet. Die Frequenzregelung erfolgt über zwei Koordinationsstellen in Brauweiler (Pulheim) / D und Laufenburg / CH.
Kraftwerksarten [Bearbeiten]
Hauptartikel: Kraftwerk
Unterteilung nach der Lastverteilung [Bearbeiten]
KKW Grafenrheinfeld, Bayern
Grundlastkraftwerke:
Diese beanspruchen hohe Investitionskosten, haben dafür allerdings geringe Betriebskosten. Als Konsequenz sind sie also nur wirtschaftlich, wenn sie sehr lange Jahresbetriebszeiten aufweisen. Das Anfahren von Grundlastkraftwerken beansprucht im Extremfall bis zu mehreren Tagen. Sie produzieren den Großteil des in Europa verbrauchten Stromes.
Als Grundlastkraftwerke werden vor allem Flusskraftwerke, Kernkraftwerke und Braunkohlekraftwerke eingesetzt.
Mittellastkraftwerke:
Diese befinden sich in den Investitionskosten bzw. Betriebskosten zwischen den Grund- und Spitzenlastkraftwerken und sind dafür ausgelegt, größere Schwankungen im Tagesverlauf der Energieversorgung auszugleichen.
Als Mittellastkraftwerke werden vor allem Steinkohlekraftwerke eingesetzt.
Die Rohrleitungen des Kraftwerks Walchensee
Spitzenlastkraftwerke:
Sie haben die Aufgabe Versorgungslücken der Energiebereitstellung zu schließen. Geringe Investitionskosten und hohe Betriebskosten machen den Strom aus Spitzenlastkraftwerken sehr teuer. Dies ist auch der Grund für nur geringe Betriebszeiten von Spitzenlastkraftwerken. Sie können jedoch sehr schnell angefahren werden. Ein typisches Beispiel für Spitzenlastkraftwerke sind Pumpspeicherkraftwerke. Deutschland muss Strom in Spitzenzeiten sehr oft von seinen Nachbarländern zu hohen Preisen zukaufen. 2003 wurde das in Deutschland größte Pumpspeicherkraftwerk (Pumpspeicherwerk Goldisthal) im Thüringer Wald errichtet.
Je mehr Stromerzeuger errichtet werden, welche unstetig Strom produzieren (Windkraft, Photovoltaik) umso größer wird die Bedeutung von Spitzenlastkraftwerken.
Unterteilung nach der Energiequelle [Bearbeiten]
Fossile Energie:
Kohlekraftwerke
In einem Brennerraum wird Kohle verbrannt. Die erzeugte Wärmeenergie wird dazu genutzt, in einem Wasserrohrkessel Wasser zu verdampfen. Der Wasserdampf wird überhitzt, es bildet sich Dampf mit einer sehr hohen Temperatur und unter sehr hohem Druck. Anschließend wird er in einer Dampfturbine, eventuell mit Zwischenüberhitzung, entspannt, die Temperatur und der Druck fällt. Das Wasser liegt jedoch noch immer als Dampf vor. Hinter der Turbine wird der Wasserdampf in einem Kondensator verflüssigt, so dass am Schluss wieder Wasser vorliegt. Dieses Wasser wird über die Speisepumpe in den Kessel zurückgespeist. Dieser spezielle Kreisprozess wird Clausius-Rankine-Prozess genannt. Die angetriebene Turbine treibt über eine Welle einen Generator an, der Strom erzeugt.
Gasturbinenkraftwerke
Bei Gaskraftwerken wird in einer Gasturbine ähnlich einem Flugzeugtriebwerk ein komprimiertes, also unter hohem Druck stehendes Gemisch aus Luft und Gas entzündet. Die Wärmeausdehnung dieses Gemisches treibt in der Gasturbine die Welle an, an die ein Generator angeschlossen ist. Die Luft wird am Eintritt der Gasturbine unter Umgebungsdruck und Temperatur angesaugt und komprimiert. In der Brennkammer wird Gas eingespritzt und entzündet. Dies ist eine exotherme Reaktion, es wird also Energie freigesetzt. In der eigentlichen Turbine wird das verbrannte Gemisch dann expandiert, d.h. der Druck und die Temperatur sinken und die kinetische Energie des Gemisches wird auf die Laufschaufeln der Turbine übertragen. Diese drehen sich und übertragen das Drehmoment weiter an die Welle, die letztendlich den Generator antreibt.
GuD-Kraftwerke
GuD-Kraftwerke sind kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke. Bei einer Gasturbine hat die Luft am Austritt noch eine hohe Temperatur. Diese kann genutzt werden um Wasser, ähnlich wie bei Dampfkraftwerken, zu verdampfen. GuD-Kraftwerke erreichen einen höheren Wirkungsgrad als einzelne Dampf- oder Gaskraftwerke.
Fernwärmekraftwerke
Fernwärmekraftwerke lassen sich nur in der Nähe von Ballungszentren realisieren, da die erzeugte Wärme in der unmittelbaren Umgebung abgenommen werden muss. Fernwärmekraftwerke sind häufig mit Dampfkraftwerken kombiniert, können jedoch auch einzeln betrieben werden. Bei den Heizkraftwerken wird die restliche Energie des Wassers am Turbinenaustritt genutzt. Der Dampf wird nicht bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt sondern bei einem höheren Temperaturniveau durch große Rohrleitungen in ein Fernwärmenetz eingespeist. Beim Verbraucher gibt der Dampf dann seine Wärme ab und kommt als Wasser mit geringerer Temperatur wieder zum Kraftwerk zurück.
Kraftwerke mit regenerativen Energiequellen
Wasserkraftwerke
Wasserkraftwerke kommen in sehr unterschiedlicher Form und für sehr unterschiedliche Einsatzzwecke vor. Grundlastkraftwerke sind sehr große Stauwasserkraftwerke wie z.B. Itaipú oder der Drei-Schluchten-Damm. Sie werden mit großen Francisturbinen betrieben. Dies sind Wasserturbinen für eine mittlere Fallhöhe und einen mittleren Durchfluss. Sie erreichen Leistungen von bis zu 800 MW pro Turbine und Kraftwerksleistungen von bis zu 12,6 GW. Auch Laufwasserkraftwerke (Flusskraftwerke) wie das Laufwasserkraftwerk Mühlhausen werden als Grundlastkraftwerke eingesetzt. Charakteristisch ist ein großer Durchfluss und niedrige Fallhöhen welche mittels einer Kaplan-Turbine oder einer Francisturbine zur Stromgewinnung genutzt werden. Speicherkraftwerke wie das Kraftwerk Walchensee dienen vor allem zur Abdeckung des Strombedarfs in Spitzenzeiten.
Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Physik, der sich ingenieurwissenschaftlich mit der Forschung und der technischen Entwicklung sowie der Produktionstechnik von Geräten oder Verfahren befasst, die zumindest anteilig auf elektrischer Energie beruhen. Hierzu gehört der Bereich der Wandler, elektrischen Maschinen, Bauelemente sowie Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs-, Nachrichten- und Computertechnik bis hin zur technischen Informatik.
Aufgabengebiete [Bearbeiten]
Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war die Starkstromtechnik, die heute in der Energietechnik und der Antriebstechnik auftaucht, und die Schwachstromtechnik, die sich zur Nachrichtentechnik formierte. Als weitere Gebiete kamen die elektrische Messtechnik und die Regelungstechnik sowie die Elektronik hinzu. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen.
Energietechnik [Bearbeiten]
Übertragungsleitung
Energietechnik (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit Gewinnung, Übertragung und Umformung elektrischer Energie und auch der Hochspannungstechnik. Elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch-rotorischer Energie mittels Generatoren erzeugt. Zur klassischen Starkstromtechnik gehören außerdem der Bereich der Verbraucher elektrischer Energie sowie die Antriebstechnik.
Antriebstechnik [Bearbeiten]
Antriebstechnik, früher ebenfalls als „Starkstromtechnik“ betrachtet, setzt elektrische Energie mittels elektrischer Maschinen in mechanische Energie um. Klassische elektrische Maschinen sind Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommaschinen, wobei vor allem im Bereich der Kleinantriebe viele weitere Typen bestehen. Aktueller ist die Entwicklung der Linearmotoren, die elektrische Energie direkt in mechanisch-lineare Bewegung umsetzen, ohne “Umweg” über Rotationsbewegung. Antriebstechnik spielt eine große Rolle in der Automatisierungstechnik, da hier oft eine Vielzahl von Bewegungen mit elektrischen Antrieben zu realisieren sind. Für die Antriebstechnik wiederum spielt Elektronik eine große Rolle; zum einen für die Steuerung und Regelung der Antriebe, zum anderen werden Antriebe oft mittels Leistungselektroniken mit elektrischer Energie versorgt. Auch hat sich der Bereich der Lastspitzenreduzierung und Energieoptimierung im Bereich der Elektrotechnik erheblich weiterentwickelt.
Nachrichtentechnik [Bearbeiten]
Mit Hilfe der Nachrichtentechnik, auch Informations- und Kommunikationstechnik (früher Schwachstromtechnik) genannt, werden mittels elektrischer Impulse oder elektromagnetischer Wellen Informationen von einer Informationsquelle (dem Sender) zu einem oder mehreren Empfängern (der Informationssenke) übertragen. Dabei kommt es darauf an, die Informationen so verlustarm zu übertragen, dass sie beim Empfänger erkannt werden können. (Siehe auch Hochfrequenztechnik, Amateurfunk.) Wichtiger Aspekt der Nachrichtentechnik ist die Signalverarbeitung, zum Beispiel mittels Filterung, Kodierung oder Dekodierung.
Elektronik [Bearbeiten]
Integrierter Schaltkreis
Die Elektronik befasst sich mit der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Kondensatoren und Spulen oder Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren. Die Mikroelektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise. Die Entwicklung der Leistungshalbleiter (Leistungselektronik) spielt in der Antriebstechnik eine immer größer werdende Rolle, da Frequenzumrichter die elektrische Energie wesentlich flexibler bereitstellen können, als dieses beispielsweise mit Transformatoren möglich ist.
Die Digitaltechnik lässt sich insoweit der Elektronik zuordnen, als die klassische Logikschaltung aus Transistoren aufgebaut ist. Andererseits ist die Digitaltechnik auch Grundlage vieler Steuerungen und damit der Automatisierungstechnik verbunden. Die Theorie ließe sich auch der theoretischen Elektrotechnik zuordnen.
Automatisierungstechnik [Bearbeiten]
In der Automatisierungstechnik werden mittels Methoden der Mess-, Steuerungs-, Regelungs- (zusammenfassend MSR-Technik genannt) einzelne Arbeitsschritte eines Prozesses automatisiert bzw. überwacht. Heute wird üblicherweise die MSR-Technik durch Digitaltechnik gestützt. Eines der Kerngebiete der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik. Regelungen sind in vielen technischen Systemen enthalten. Beispiele sind die Regelung von Industrierobotern, Autopiloten in Flugzeugen und Schiffen, Drehzahlregelungen in Motoren, die Stabilitätskontrolle (ESP) in Automobilen, die Lageregelung von Raketen und die Prozessregelungen chemischer Anlagen. Einfache Beispiele des Alltags sind die Temperaturregelungen in Bügeleisen und Kühlschränken. (Siehe auch Sensortechnik.)
Theoretische Elektrotechnik [Bearbeiten]
Die Basis der Theorie und Bindeglied zur Physik der Elektrotechnik sind die Erkenntnisse aus der Elektrizitätslehre. Die Theorie der Schaltungen befasst sich mit den Methoden der Analyse von Schaltungen aus passiven Bauelementen. Aufgebaut auf den Maxwellschen Gleichungen ist die Theorie der Felder und Wellen, kurz: die Theoretische Elektrotechnik.
هندسة الكهرباء تطلق على مجاﻻت الهندسة التي تهتم بالكهرباء والإلكترونيات والكهرومغناطيسية، وتطبيقاتها. تشمل الهندسة الكهربائية أيضا كلا من: إنتاج الطاقة الكهربية، ونقلها، واستخدام الأجهزة الكهربية في الحسابات، التواصل، القياسات والتحكم.فهرس [إخفاء]1 واجبات هندسة الكهرباء 1.1 هندسة الطاقة
1.2 هندسة المحركات
1.3 هندسة الاتصاﻻت
1.4 الهندسة الإلكترونية
1.5 الأتمتة و هندسة التحكم
1.6 الهندسة الكهربائية النظرية
2 تاريخ واعلام الهندسة الكهربائية
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واجبات هندسة الكهرباء
التقسيم الكلاسيكي للهندسة الكهربائية كان هندسة التيار العالي والتي تعرف اليوم بهندسة الطاقة و هندسة المحركات والقسم الاخر هندسة التيار المنخفض والتي تطورت لتصبح هندسة الاتصاﻻت. اضافة إلى ذلك فقد اوجدت مجاﻻت هندسية جديدة في اطار هندسة الكهرباء ومنها هندسة القياسات، هندسة التحكم و الالكترونيات. ومع الوقت وازدياد التطور فقد اضيف لكل فرع من هذه الفروع العديد من المجاﻻت الجديدة، وفي يومنا هذا اصبح من الصعب الاستغناء عن المعدات الكهربائية في معضم مجاﻻت الحياة.
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هندسة الطاقة
خطوط مد كهربية
تهتم هندسة الطاقة بإنتاج ونقل وتحويل الطاقة الكهربائية وتقنية الضغط العالي. في معظم الاحوال تنتج الطاقة الكهربية عن طريق تحويل طاقة الدوران الميكانيكي عن طريق المولدات إلى طافة كهربائية. كما تهتم هندسة الطاقة بنطاق استهلاك الطاقة الكهربية. اريد أكثر معلومات على الطاقة الكهربائية
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هندسة المحركات
تعمل هندسة المحركات على تحويل الطاقة الكهربائية بواسطة ماكينات كهربائية إلى طاقة ميكانيكية. وتعتبر هندسة المحركات ذات اهمية عالية لتقنيات الاتمته حيث ان الكثير من الحركات الميكانيكية يتم تشغيلها كهربائيا. وتلعب الهندسة الالكترونية دورا مهما في اطار هندسة المحركات، من ناحية في مجال التحكم بالمحركات، ومن ناحية اخرى في مجال تخفيض الاستهلاك الكترونيا. و المحركات الكهربائية المعروفة تعمل على استخدام قطبين كهربائين و ركيزة مركزية فتبدأ الركيزة بالدوران عند تضاد القطبين .
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هندسة الاتصاﻻت
بمساعدة هندسة الاتصالات يتم نقل المعلومات عن طريق النبضات الكهربية او الموجات الكهرومغناطيسية من المرسل إلى مستقبل واحد او عدة مستقبلين. ومن اهتمامات هندسة الاتصاﻻت ايصال المعلومة مع اقل قدر من الخسائر في البيانات، وكذلك ايضا نظم معالجة الاشارات كالتشفير، فك التشفير والتنقية.
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الهندسة الإلكترونية
تهتم الهندسة الإلكترونية بتطوير وتصنيع واستخدامات المكونات الالكترونية مثل مكثف، مستحث وعناصر اشباه الموصلات كالصمام الثنائي والترانزيستور.
المايكرو إلكترونيك، أحد فروع الهندسة الإلكترونية التي تهتم بتطوير الدوائر المتكاملة (IC) من المواد أشباه الموصلات. مثال على الدوائر المتكاملة: المعالجات.
ان المكثف و الملف ليسوا قطع الكترونية و انما قطع كهربائية.
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الأتمتة و هندسة التحكم
تقوم الأتمتة على توضيف تقنيات التحكم والقياس والتقنية الرقمية لتحويل خطوات العمل اليدوية إلى ذاتية التحكم. وتعتبر هندسة التنظيم أحد أهم فروع الاتمتة حيث تستخدم على سبيل المثال في تثبيت عدد دورات المحركات الكهربية، او في انظمة الطيار الالي و ايضا في انظمة الثبات في السيارة مثل ESP لمنع الانزﻻق، وكذلك التحكم بحرارة الثلاجات المنزلية، ومراقبة العمليات الصناعية. وقد تجعل الاتمتة من خواص نظام القدرة الكهربائية حيث يتم التحكم بجميع عناصر شبكة القدرة من محولات ومولّدات وأجهزة حماية وأنظمة قياس عن بعد وبطريقة آلية.
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الهندسة الكهربائية النظرية
تقوم الكهربائية النظرية بايصال القواعد النظرية و الاوصاف والشوحات الفيزيائية المستفادة من علم الكهرباء. وتنقسم إلى عدة اقسام منها نظرية الفيض لنقاش معادﻻت ماكسويل و نظرية الدوائر لتحليل الدوائر الكهربائية.
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تاريخ واعلام الهندسة الكهربائية
ابتدا فصل الهندسة الكهربائية عن الفيزياء في زمن توماس اديسون و فيرنر فون سيمنس وفي بادئ الامر كانت كل الاكتشافات والاختراعات تتعلق بالشحنة. في عام 1752 اخترع بينيامين فرانكلين موصلة الصواعق و نشر بين 1751 و 1753 نتائج تجاربه تحت عنوان “تجارب ومشاهدات عن الكهرباء” (Experiments and Observations on Electricity) . في العام 1800 قام الكساندر فولتا ببناء بطاريته الاولى المساة “عمود فولتا” بعد اعجابه بتجربة اجراها لويجي جالفاني عام 1792. في العام 1820 قام هانز كريستيان اورستد بعمل تجارب عن انحناء ابرة البوصلة بتاثير التيار الكهربي. وفي نفس العام كرر اندريه ماري امبير تلك التجربة واثبت ان سلكين يمر فيهما التيار يؤثران بقوى على بعضهما البعض وعرف خلالها الجهد الكهربي والتيار الكهربي.
مايكل فاراداي قدم اعمال كبيرة في مجال الفيضين الكهربي والمغناطيسي، وعرف ايضا خطوط المجال. وبناء على اعمال فاراداي قدم جيمس كليرك ماكسويل اعماﻻ في اكمال نظرية الكهرومغناطيسية والكهروديناميكيةـ وقدم عام 1864 معادﻻت ماكسويل والتي تعتبر أحد أهم اسس الهندسة الكهربية.
فيليب رايس اخترع عام 1860 الهاتف في معهد جارنيير في فريدريكسدورف اﻻ ان اختراعه لم ينل القدر الكافي من الاهتمام، إلى ان “اخترع” الكساندر جراهام بيل عام 1867 أول هاتف قابل للتسويق ونجح بالفعل في تسويقه.
في اطار هندسة التيار العالي يعتبر فيرنر فون سيمنس أحد أهم الاعلام حيث اكتشف عام 1866 مبدأ الدينامو وبنى به أول مولد كهربي وبذلك اصبحت الكهرباء وللمرة الاولى متاحة للاستخدام وبكميات كبيرة. وفي العام 1876 اخترع توماس إديسون مصباح خيط الكربون مما اعطى الكهرباء دفعة كبيرة إلى داخل المجتمع المدني. في نفس الوقت عمل نيكوﻻ تسلا و ميكايل فون دوليفو-دوبروولسكي على تطوير التيار المتردد والذي يعتبر اساس الطاقة إلى يومنا هذا.
في العام 1883 اسس ايراسموس كيتلر تخصص الهندسة الكهربائية في جامعة دارمشتات التقنية في ألمانيا (TU-Darmstadt) لتصبح أول مرة تدرس فيها في العالم. واستمرت الدراسة لمدة اربع سنوات ليتخرج الطالب بلقب مهندس كهربائي.
استطاع هاينريش رودولف هيرتز في العام 1884 اثبات معادﻻت ماكسويل عمليا، واثبت وجود الموجات الكهرومغناطيسية ليصبح بذلك مؤسس علم النقل اللاسلكي للاشارات ومؤسس هندسة الاتصاﻻت.
في العام 1896 شغل غوغليلمو ماركوني او محطة إرسال ﻻسلكية على مسافة 3 كم، وبناء على اعماله اصبحت في العام 1900 اولى محطات الارسال والاستقبال الراديوي متوفرة تجاريا. عام 1905 اخترع جون فليمينغ أول صمام ثنائي، ليتبعه عام 1906 روبرت فون ليبن و لي دو فوريس بالصمام الثلاثي. والتي اعطت مهندسي الاتصاﻻت زخما جديدا كعنصر لتقوية الاشارة.
جون لوجي بيرد اخترع عام 1926 أول جهاز تلفاز ميكانيكي بسيط، وعام 1928 التلفاز الملون. وفي نفس العام تمت أول عملية بث للتلفاز عبر المحيط من لندن إلى نيويورك. وفي العام 1931 قدم مانفريد فون اردينه او تلفاز كهربائي على اساس اسطوانة اشعة الكاثود.
عام 1942 قدم الالماني كونراد تسوزه او حاسوب كامل الوضائف تحت مسمى Z3، ليلحقه في العام 1946 جون ايكرت و جون ماوكلي بجهازهما ENIAC اختصارا لـ” الحاسوب والمكامل العددي الالكتروني” (Electronic Numerical Integrator and Computer) ليعلن رسميا عن زمن الحاسوب، الامر الذي قدم خدمات كبيرة للمؤسسات العلمية مثل ناسا التي اعتمدت الحواسيب لدعم برنامجها ابولو.
اختراع الترانزيستور على ايدي وليام شوكلي، جون باردين و والتر براتاين عام 1947 في معامل بيل فتح امام الجميع افاق جديدة في تقنية اشباه الموصلات والدوائر المتكاملة وسمح للمصنعين بتصغير حجم الاجهزة بشكل دراماتيكي.
في العام 1958 اخترع جي سي ديفول و جاي انغلبرجر أول روبوت صناعي ليستخدم عام 1960 ﻻول مرة في مصانع جينرال موتورز.
وفي معامل شركة انتل اخترع مارشيان هوف في العام 1968 أول مايكروبروسيسور بطلب من شركة يابانيه لتصميم جهاز حاسب صغير الحجم ليتم في العام 1969 تصنيع أول مايكروبروسيسور (intel 4004).
قامت فيليبس عام 1978 بتصنيع أول قرص مدمج CD لتخزين البيانات رقميا، وبعد تعاون مع شركة سوني نتج عام 1982 القرص المدمج الصوتي Audio-CD لينتج في النهاية نسق الـ CD-ROM في العام 1985.