Kraftwerke sind Anlagen zur Bereitstellung von technischer Energie, welche aus einem Energieträger (z.B. Wasserkraft, Sonnenstrahlung, Erdöl, Erdgas, Holz...) umgewandelt wird. Die Nennleistung eines Kraftwerkes ist die über Stunden dauernde maximale Abgabeleistung.
Kleinste Kraftwerke wie Photovoltaikzellen haben eine Leistung im Wattbereich, grosse Anlagen wie Kernkraftwerke haben über eine Milliarde Watt (GW). Der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes ist das Verhältnis der genutzten abgegebenen Energie zur aufgenommenen Energie, er liegt je nach Kraftwerkstyp, Auslastung und Anlagengrösse zwischen 1 und 92 %. Weltweit gesehen dominieren thermische Kraftwerke, in denen Wasser gekocht wird und der entstehende Dampf über einer Turbine entspannt wird. Bei diesen Kraftwerken entsteht viel Abwärme, welche selten genutzt wird. Bei einer Nutzung dieser Abwärme zum Beispiel zum Heizen von Gebäuden kann der übliche Wirkungsgrad von 35 auf 80 % erhöht werden.
Ein Kraftwerk umfasst die
- Einrichtung zur Bereitstellung des Energieträgers (Tankanlage, Wasserfassung, Tiefenbohrung ...),
- die eigentliche Umwandlungsanlage,
- die Entsorgungseinrichtungen (Rauchreinigungsanlage, Kamin, Vorfluter, Kühlanlage ...),
- die erforderlichen Steuerungsanlagen,
- Gebäude und
- Hilfseinrichtungen.
Nach dem Kraftwerk folgt das System der Energieübertragung und der Energieverteilung. Man unterscheidet zwischen Inselanlagen, welche lokale Stromverbraucher speisen (Notrufsäule, Ferienhaus, Caravan, Schiff) und Netzverbundanlagen, welche ein Versorgungsnetz speisen. Beim Betrieb eines elektrischen Netzes muss immer soviel Leistung bereitgestellt werden, wie aktuell benötigt wird, sonst ist das System unstabil.
Die verschieden Kraftwerkstypen können nach ihrem geschätzten Anteil an der Weltstromproduktion folgendermassen gegliedert werden:
| Kraftwerkstyp | Einzelleistung in kW |
Wirkungsgrad ohne Wärme |
Anlagekosten in kCHF/kW |
Stromkosten in Rp./kWh |
Bemerkungen | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Verbrennungskraft | 500 - 600'000 | 25% - 45% | 3- 0,7 | 30 - 5 | etwa 67% der Weltstromanteil | |
| Wasserkraft | 0,3 - 700'000 | 50% - 90% | 20 - 1 | 40 - 2 | etwa 16% Weltstromanteil | |
| Kernkraft | 2'000 - 1'500'000 | 25% - 35% | 3 - 1 | 20 - 4 | etwa 14% Weltstromanteil | |
| Windkraft | 0,3 - 4'000 | 20% - 50% | 10 - 3 | 50 - 8 | Produktion windabhängig | |
| Dieselmotor | 5 - 10'000 | 25% - 45% | 2 - 0,2 | 40 - 15 | Lebensdauer bei Kleinmotoren | |
| Ottomotor | 0,5 - 2'000 | 20% - 35% | 1 - 0,2 | 50 - 20 | Lebensdauer bei Kleinmotoren | |
| Photovoltaik | 0,01 - 5'000 | 5% - 20% | 6 - 2 | 50 - 10 | Produktion nur bei Sonnenwetter | |
| Solarkraftwerk | 5 - 50'000 | 15% - 25% | 10 - 5 | 50 - 20 | Produktion nur bei Sonnenwetter | |
| Geothermie | 50 - 10'000 | 15% - 20% | 50 - 5 | 80 - 10 | teilweise seismische Probleme | |
| Meeresenergie | 5 - 1'000 | 10% - 30% | 100 - 10 | 80 - 20 | Probleme mit Stürmen | |
| Gezeitenkraft | 5 - 10'000 | 40% - 60% | 50 - 5 | 80 - 40 | Produktion nur alle 12 Stunden | |
| Brennstoffzelle | 0,001 - 500 | 10% - 45% | 30 - 7 | 200 - 20 | derzeit noch Materialprobleme | |
| Batterie | 0,001 - 1 | 5% - 20% | 20 - 3 | 50'000 | nur 1 Zyklus | |
| Holzvergaser | 5 - 500 | 15% - 25% | 2 - 0,5 | 30 - 10 | Probleme mit Holzteer | |
| Dampfmaschine | 0,01 - 2'000 | 5% - 20% | 5 - 2 | 80 - 40 | abgelöst durch Dampfturbine | |
| Heissgasmotor | 0,001 - 30 | 5% - 20% | 15 - 6 | 100 - 50 | immer noch Materialprobleme | |
| Körperbewegung | 0,001 - 1 | 1% - 80% | 5 | 500 | Stromkosten ohne Stundenlohn | |
| Peltierelement | 0,001 - 0,1 | 1% - 4% | 30 | 200 - 100 | in Entwicklung | |
| Thermophotovoltaik | 0,005 - 5 | 1% - 5% | 30 | 200 - 100 | in Entwicklung | |
| Kernfusion | 100'000 | 30% - 45% | 10 - 2 | 100 - 10 | in Entwicklung | |
Legende:
| Umwandlungsprinzip | Grundlagen | typische Prozesskette | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Wärmekraftmaschinen | heisse Quelle und kühle Senke | (Verbrennung) - Turbine (oder Maschine) - Generator | ||||
| mechanische Umwandlung | bewegte Masse bremsen | Turbine (oder Maschine) - Generator | ||||
| Direktumwandlung | Physikalische Effekte | direkt - (eventuell Leistungselektronik) | ||||
Die Gliederung nach Energieträger ist eine weitere Möglichkeit der Unterteilung der Kraftwerke:
| Energieträger | Ursprung | Kraftwerkstypen |
|---|---|---|
| Sonnenstrahlung | Sonne | Photovoltaik, Wärmekraftmaschinen, Kaminturbine |
| Flüsse | Sonne, Gravitation | Wasserturbine, Wasserrad |
| Wind | Sonne, Erddrehung | Windturbine |
| Wellen | Wind | Bewegungsumwandlung, Druckluftturbine |
| Meeresströmungen | Sonne, Erddrehung | Wasserturbine |
| Gezeiten | Mondlaufbahn | Wasserturbine |
| Holz | Biologie | Wärmekraftmaschinen, Holzvergaser mit Ottomotor |
| Methan | Entstehung der Erde, Biologie | Wärmekraftmaschinen, Ottomotor |
| Biotreibstoff | Biologie (verarbeitet) | Ottomotor |
| Biogas | Abfall (verarbeitet) | Ottomotor, Wärmekraftmaschinen |
| Abfall | Gesellschaft | Wärmekraftmaschinen |
| Lebewesen | Biologie | Bewegungsumwandlung, Wärmekraftmaschinen |
| Erdwärme | Entstehung der Erde | Wärmekraftmaschinen |
| Nuklearbrennstoff | Entstehung der Erde | Wärmekraftmaschinen |
| Kohle | fossil | Wärmekraftmaschinen |
| Erdöl | fossil | Wärmekraftmaschinen |
| Erdgas | fossil | Ottomotor, Wärmekraftmaschinen, Brennstoffzelle |
| Heizöl (Diesel) | Erdöl (verarbeitet) | Dieselmotor, Wärmekraftmaschinen |
| Benzin | Erdöl (verarbeitet) | Ottomotor |
| Warmwasser | Industrie | Wärmekraftmaschinen |
| Dampf | Industrie | Wärmekraftmaschinen |
| Wasserstoff | Industrie | Wärmekraftmaschinen, Ottomotor, Brennstoffzelle |
| Elektrizität | Industrie | Speicher (Akkumulator, Stausee, Druckluft, Wasserstoff) |