#dkinfografik. Technik einfach verstehen E-Book

Jack Challoner

• Herausgeber: Dorling Kindersley Verlag
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 368

Beschreibung

Spannende Technologien und Erfindungen verständlich erklärt! Ob Waschmaschine, Roboter, Drohne, Handy oder Internet: Mithilfe anschaulicher Grafiken, faszinierender Fakten und spannender Fragestellungen wird in diesem Technik-Buch anhand von 150 Beispielen verdeutlicht, wie die Technik in unserem Alltag funktioniert. Durch die speziellen Infografiken werden Sie selbst aus komplexen Sachverhalten schlau – vom Reißverschluss bis zur künstlichen Intelligenz. Technik verstehen – so geht's! Dieses Technik-Buch veranschaulicht, welche Funktionsweise hinter den Technologien unseres alltäglichen Lebens steckt – zum Beispiel: Woher weiß das Smartphone, wo oben ist? Wie verhindert ein autonom fahrendes Fahrzeug Unfälle? Woraus ist unsere Kleidung gemacht? Wie arbeitet ein Herzschrittmacher? All diese und viele weiteren Fragen werden in den neun Kapiteln dieses innovativen Technik-Buchs beantwortet: - Energietechnik. - Verkehrstechnik. - Werkstoff- und Bautechnik. - Technik im Haushalt. - Ton- und Bildtechnik. - Computertechnik. - Kommunikationstechnik. - Landwirtschaft und Ernährung. - Medizintechnik. Wie funktioniert was? In diesem Technik-Buch erfahren und verstehen Sie es dank genialer grafischer Darstellung. Das Buch eignet sich auch bestens als Nachschlagewerk für Schule oder Studium!

Leseprobe

TECHNIK

EINFACH

VERSTEHEN

Praktisches Wissen grafisch erklärt

#dkinfografik

TECHNIK

EINFACH

VERSTEHEN

INHALT

DK London

Lektorat

Jonathan Metcalf, Liz Wheeler, Claire Gell, Kate Taylor, Nathan Joyce,

Ruth O’Rourke-Jones, Martyn Page, David Summers, Miezan van Zyl,

Peter Frances, Rob Houston, Angeles Gavira Guerrero

Beratung

Alison Ahearn, Roger Bridgman, Giles Chapman, Caramel Quin, Josephine Roberts,

Kristina Routh, Jack Challoner, Clive Gifford, Ian Graham, Wendy Horobin, Andrew Humphreys,

Hilary Lamb, Katie John

Gestaltung und Bildredaktion

Karen Self, Michael Duffy, Dave Ball, Mik Gates, Mark Lloyd, Francis Wong,

Steve Woosnam-Savage, Gregory McCarthy, Bianca Zambrea

Umschlaggestaltung

Surabhi Wadhwa-Gandhi, Tanya Mehrotra, Emma Dawson, Priyanka Sharma,

Saloni Singh, Sophia MTT

Herstellung

Jacqueline Street-Elkayam, Meskerem Berhane

Illustrationen Edwood Burn, Mark Clifton, Phil Gamble, Manjari Hooda,

Rohit Rojal, Lakshmi Rao, Nain Rawat, Gus Scott, Alok Singh

Für die deutsche Ausgabe:

Programmleitung Monika Schlitzer

Redaktionsleitung Dr. Kerstin Schlieker

Projektbetreuung Carola Wiese

Herstellungsleitung Dorothee Whittaker

Herstellungskoordination Ksenia Lebedewa

Herstellung Evely Xie

Titel der englischen Originalausgabe:

How Technology Works

© Dorling Kindersley Limited, London, 2019

Ein Unternehmen der Penguin Random House Group

Alle Rechte vorbehalten

© der deutschsprachigen Ausgabe by Dorling Kindersley Verlag GmbH, München, 2019

Alle deutschsprachigen Rechte vorbehalten

Deutsche digitale Ausgabe, 2024

Dorling Kindersley Verlag GmbH

Jegliche – auch auszugsweise – Verwertung, Wiedergabe, Vervielfältigung oder

Speicherung, ob elektronisch, mechanisch, durch Fotokopie oder Aufzeichnung,

bedarf der vorherigen schriftlichen Genehmigung durch den Verlag.

Übersetzung Dr. Stephan Matthiesen

Lektorat Hans Kaiser

eISBN 978-3-8310-8372-5

www.dk-verlag.de

Hinweis

Die Informationen und Ratschläge in diesem Buch sind von den Autoren und vom Verlag

sorgfältig erwogen und geprüft, dennoch kann eine Garantie nicht übernommen werden.

Eine Haftung der Autoren bzw. des Verlags und seiner Beauftragten für Personen-,

Sach- und Vermögensschäden ist ausgeschlossen.

ENERGIE-

TECHNIK

WERKSTOFF-

UND BAU-

TECHNIK

Leistung und Energie

Wasserversorgung

Ölraffinerien

Generatoren

Elektromotoren

Kraftwerke

Stromversorgung

Kernenergie

Windenergie

Wasserkraft und

Geothermie

Sonnen- und

Bioenergie

Batterien

Brennstoffzellen

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Metalle

VERKEHRS-

TECHNIK

Bewegte Maschinen

Fahrräder

Verbrennungsmotoren

Autos

38

40

42

44

Elektro- und Hybridautos 46

Radar

Radarkameras

Eisenbahn

Segelboote

Motorschiffe

U-Boote

Strahltriebwerke

Flugzeuge

Hubschrauber

Drohnen

Raumsonden

48

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

Metallverarbeitung

Beton

Kunststoffe

Verbundwerkstoffe

Recycling

Nanotechnologie

3-D-Drucker

Bögen und Kuppeln

Bohrungen

Bagger

Brücken

Tunnel

Hochhäuser

Aufzüge

Kräne

72

74

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

102

TECHNIK

IM HAUSHALT

COMPUTER-

TECHNIK

Hausanschlüsse

Heizung

Mikrowellenherde

Wasserkocher und

Toaster

Geschirrspüler

Kühlung

Staubsauger

Toiletten

Schlösser

Alarmanlagen

Textilien

Kleidung

Waschmaschinen

Das Smarthome

106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

128

130

132

TON-

UND BILD-

TECHNIK

Wellen

Mikrofone und

Lautsprecher

Digitalaudio

Teleskope und

Ferngläser

Elektrisches Licht

Laser

Hologramme

Projektoren

Digitalkameras

Drucker und Scanner

136

138

140

142

144

146

148

150

152

154

Die digitale Welt

Digitalelektronik

Computer

158

160

162

Wie Computer arbeiten 164

Tastaturen und Mäuse

Computersoftware

Künstliche Intelligenz

Wie Roboter arbeiten

Was Roboter können

Virtuelle Realität

166

168

170

172

174

176

LANDWIRTSCHAFT

UND

ERNÄHRUNG

KOMMUNIKATIONS-

TECHNIK

Radiosignale

Radios

Telefone

Telekommunikations-

netze

Fernsehübertragung

Fernseher

Satelliten

Satellitennavigation

Das Internet

Das World Wide Web

E-Mail

WLAN

Mobile Geräte

Smartphones

E-Papier

180

182

184

186

188

190

192

194

196

198

200

202

204

206

208

Pflanzenanbau

Nutztierhaltung

Erntemaschinen

Anbau ohne Boden

212

214

216

218

Präzisionslandwirtschaft 220

Sortieren und Verpacken 222

Konservierung

Verarbeitung

224

226

Genetische Modifikation 228

MEDIZIN-

TECHNIK

Schrittmacher

Röntgenbilder

MRT-Scanner

MIC-Operationen

Gliedmaßenprothesen

Gehirnimplantate

Genetische Tests

232

234

236

238

240

242

244

Künstliche Befruchtung 246

REGISTER

DANK

248

256

ENERGIE-

TECHNIK

Leistung und

Energie

Energie lässt Dinge geschehen – von winzigen

Stromstößen bis zu gewaltigen Explosionen.

Energie wird in Joule gemessen. Leistung ist

die Rate, mit der Energie von einer Form in eine

andere umgewandelt wird.

Wie man Leistung misst

Leistung ist die umgewandelte

Energiemenge, geteilt durch die

dafür benötigte Zeit. Je mehr

Energie in der gleichen Zeit umge-

wandelt oder je schneller eine

bestimmte Energiemenge umge-

wandelt wird, desto höher ist die

Leistung. Eine Elektroheizung mit

1800 Watt wandelt pro Sekunde

dreimal so viel elektrische Energie

in Wärme um wie eine mit 600 Watt.

WAS IST DAS

DREHMOMENT?

Das Drehmoment ist ein

Maß für eine drehende Kraft,

die auf eine Achse wirkt oder

von ihr ausgeübt wird. Oft wird

damit die »Zugkraft« eines

Motors beschrieben.

Erzeugung und Nutzung von Energie

Was wir unter Leistung verstehen, hängt von der Situation ab. Für

manche Dinge bezieht sich »Energie« bzw. »Leistung« auf die erzeugte

Energie, bei anderen auf die Energie, die zum Betrieb benötigt wird.

EINHEITEN

Es gibt mehrere Einheiten für Leistung und

Energie in verschiedenen Situationen, etwa

bei Motoren, Geräten und Menschen.

Watt (W)

Ein Watt entspricht der Leistung, bei der pro

Sekunde ein Joule Arbeit verrichtet oder ein

Joule Energie umgewandelt wird. Die Rate, mit

der beispielsweise eine Glühbirne elektrische

Energie in Lichtenergie umwandelt, wird in

Watt gemessen.

Kilowatt (kW) und Megawatt (MW)

Ein Kilowatt ist 1000 Watt; dies ist eine

nützliche Einheit für die Leistung großer

Motoren oder elektrischer Haushaltsgeräte.

Ein Megawatt entspricht 1 Mio. Watt. Nur

riesige Maschinen erzeugen Leistung in dieser

Größenordnung, etwa Kraftwerke, Schiffe und

Beschleuniger in der Teilchenphysik.

Kilowattstunden (kWh)

Eine Kilowattstunde ist die Energie, die umge-

wandelt wird, wenn eine Leistung von 1 kW

für eine Stunde (3600 Sekunden) wirkt, also

3,6 Mio. Joule. Die Strommenge im Haushalt

wird meist in Kilowattstunden gemessen.

Pferdestärke (PS)

Die Leistung von Motoren wird traditionell

auch in Pferdestärken (PS) gemessen. Ein PS ent-

spricht 735,5 W (0,7355 kW), etwa die Leistung

eines Arbeitspferds. Dabei wird die Nutzleistung

so gemessen, dass Reibungsverluste im Motor

und Getriebe schon berücksichtigt sind.

Kernkraftwerk: 1000 MW

Bei Kraftwerken wird wie bei Windturbinen

meist angegeben, wie viel Strom sie pro-

duzieren können, wenn sie unter optimalen

Bedingungen laufen (»Nennleistung«).

Mikrowellenherd: 1000 W

Bei Mikrowellenherden ist angegeben, welche

Stromleistung sie benötigen (z. B. 1000 W)

und außerdem die Energie, die sie typischer-

weise im Jahr verbrauchen (etwa 62 kWh).

Benzin-Superauto: 1100 kW (1500 PS)

Bei Automotoren wird die maximal mögliche

Leistung angegeben. Einige Superautos wie

der Bugatti Chiron erreichen eine Leistung

von 1100 kW oder 1500 PS.

Windkraftanlage: 3,5 MW

Eine typische Windturbine kann eine Leistung

von bis zu 3,5 MW erzeugen und im Jahres-

durchschnitt (je nach Standort) den Strom-

bedarf von über 1000 Haushalten decken.

LED-Fernsehgerät: 60 W

Zwar hat ein LED-Fernseher eine viel geringere

Leistung (typischerweise 60 W) als ein Mikro-

wellenherd, aber der jährliche Energie-

verbrauch (um 54 kWh) ist ähnlich.

Elektroauto: 110 kW (etwa 150 PS)

Die meisten Elektroautos haben eine viel

kleinere Leistung als Autos mit Verbrennungs-

motor, aber die Elektromotoren besitzen ein

höheres Drehmoment beim Anfahren.

ENERGIETECHNIK

Leistung und Energie

Energieumwandlung

Nach dem Gesetz der Energieerhaltung kann Energie nicht geschaffen

oder vernichtet werden, aber von einer Form in viele andere umgewandelt

werden. Elektrizität ist eine sehr wertvolle Energieform, weil sie sich leicht

in Schallenergie, Wärme (thermische Energie), Licht (Strahlungsenergie)

und – mit einem Motor – Bewegung (kinetische Energie) umwandeln lässt.

10 11

ENERGIEVERLUSTE

Reaktionen freigesetzt, die die Bindungen

zwischen Atomen aufbrechen. So wird

etwa beim Verbrennen von Kohle die

chemische Energie in Licht und

Wärme umgewandelt.

Chemische Energie

Chemische Energie ist die

Energie, die in chemischen Bindun-

gen von Substanzen steckt, etwa in

Lebensmitteln, Batterien oder fossilen

Brennstoffen. Sie wird durch chemische

Bewegung hat, etwa ein Mensch beim

Laufen oder Skifahren. Es gibt verschie-

dene Formen, darunter Rotations-

energie und Vibrationsenergie. Die

Menge der kinetischen Energie

hängt von der Masse und

Geschwindigkeit des

Objekts ab.

Bewegungsenergie ist die Energie,

die ein Gegenstand aufgrund seiner

Kinetische Energie

Kinetische Energie oder

Jedes Gerät verschwendet

einen Teil der zugeführten

Energie. Glühbirnen wandeln

nur einen Teil des Stroms in

Licht um, der Rest geht als

Wärme verloren. Schlecht

eingestellte oder schadhafte

Geräte, etwa Kühlschränke mit

einem Leck in der Dichtung,

verschwenden mehr Energie.

Leck

Kühle

Luft ent-

weicht.

Mechanische Energie ist die

kinetische Energie eines Körpers

zusammen mit seiner potenziellen

Energie – also der Energie aufgrund

seiner Lage, die in andere Formen

umgewandelt werden kann. Ein Bei-

spiel ist eine zusammengedrückte

Feder, die ihre potenzielle Energie

freisetzt, wenn sie sich zu ihrer

ursprünglichen Länge

ausdehnt.

Mechanische Energie

Wärme ist der Strom von thermischer

Energie von einem Ort zu einem

anderen, etwa die Wärme, die die

Flamme eines Herds an den

Kochtopf abgibt.

Thermische Energie oder Wär-

meenergie ist genau genommen

eine Form der kinetischen Energie,

die in der Vibrationsbewegung der

einzelnen Atome eines Stoffs steckt.

Wärmeenergie

Energieumwandlung im Solarmodul

Ein Solarmodul besteht aus fotovoltaischen

Zellen (»Solarzellen«, S. 30). Sie wandeln

die Strahlungsenergie des Sonnenlichts

in elektrische Energie – einen Strom von

Elektronen – um.

STRAHLUNGS-

ENERGIE

SOLARMODUL

ELEKTRISCHE

ENERGIE

Fossile Brennstoffe

Etwa zwei Drittel des Stroms und über 1 Mrd. Fahrzeuge und

andere Maschinen werden weltweit mit Brennstoffen erzeugt

und angetrieben, die aus fossilen Überresten früherer Lebe-

wesen entstanden. Diese fossilen Brennstoffe (Öl, Kohle und

Erdgas) sind nicht erneuerbare Ressourcen mit begrenzten

Vorräten. Die Verbrennung wandelt chemische Energie vor

allem in Wärme um, wobei sehr viel Treibhausgase entstehen.

CHINA UND DIE

USA TRAGEN

40 PROZENT ZU

DEN TREIBHAUSGAS-

EMISSIONEN DER WELT BEI.

Wasserversorgung

Eine gute Versorgung mit frischem, sauberem

Trinkwasser gilt in vielen Ländern als selbst-

verständlich. Bevor es den Wasser hahn er-

reicht, wird Wasser mehrfach behandelt,

um es sicher zu machen.

1

Reihe von Schutzgittern, Sieben und Filtern,

damit Fische und andere Wassertiere sowie

Fremdstoffe wie Sand, Abfall oder Laub nicht

in die Wasseraufbereitungsanlage geraten.

Wassereinlass

Das Wasser strömt durch eine

Schutzgitter,

Siebe und Filter

WASSER-

EINLASS

Schneller Mixer

Wie Wasser aufbereitet wird

Süßwasser wird verschiedenen Quellen entnommen,

etwa Seen, Flüssen oder Aquiferen (wasserführenden

Gesteinsschichten) im Untergrund. In Regionen, in

denen es nicht genug Süßwasser gibt, entfernen Ent-

salzungsanlagen Salz aus Meerwasser. Dann wird das

Wasser aufbereitet, um Mikroorganismen zu entfernen,

die Krankheiten verursachen können. Bei der Aufbe-

reitung werden auch schädliche chemische Substanzen

und ein unerwünschter Geruch oder Geschmack ent-

fernt. In jedem Schritt wird die Wasserqualität getestet.

FLUORIDIERUNG

Fluoride werden in manchen

Ländern dem Trinkwasser zugesetzt,

da sie den Zahnschmelz härten

und damit gegen Karies vorbeugen.

Doch Kritiker warnen, dass die

Überdosierung von Fluoriden bei

kleinen Kindern zu Zahnschäden,

etwa höherer Porosität und Farb-

veränderungen, führen kann.

Flocken

2

durch schnell rotierende

Mixer mit Flockungs-

mitteln wie Ammonium-

sulfat gemischt. So ver-

klumpen (koagulieren)

kleine Schwebstoffe zu

größeren Flocken.

Koagulation

Das Wasser wird

3

Langsames

Rührwerk

fördert die Verklumpung der schweben-

den Flocken zu größeren Makroflocken.

Diese setzen sich zusammen mit Bakterien

und anderen Verunreinigungen am Boden

des Flockungsbeckens ab, während

das gereinigte Wasser zur weiteren

Bearbeitung weitergeleitet wird.

Flockung

Ein langsam rotierendes Rührwerk

RECHEN UND

SANDFANG

Bakterien

verarbeiten

Phosphate.

Abwasserreinigung

Das Abwasser von Haushalten und

Betrieben fließt durch Abflüsse in

die öffentliche Kanalisation, durch

die es in Kläranlagen geleitet wird.

Dort werden Fremdstoffe entfernt

und das Wasser mit verschiedenen

Verfahren behandelt, damit mög-

lichst wenig Phosphate und Nitrate,

Fette, feste Abfallstoffe sowie krank-

heitserregende Mikroorganismen

in die Umwelt gelangen.

(BIOLOGISCHE REINIGUNG)

BELEBUNGSBECKEN

Schaum auf der Oberfläche

VORKLÄRBECKEN

Bakterien wandeln Nitrate

in Stickstoffgas um.

Flockungsmittel

aus einem

Speichertank

wird ins Wasser

geleitet.

Das Wasser bleibt meist

20–60 Minuten in einem

Flockungsbecken, damit die

Flocken größer werden.

1

des Vorklärbeckens ab und werden abgepumpt. Ein

Rechen entfernt Öl und Schaum von der Oberfläche.

Erste (mechanische) Stufe

Feststoffe, etwa Fäkalien, setzen sich am Boden

ENERGIETECHNIK

Wasserversorgung

844 MILLIONEN

DIE ANZAHL DER MENSCHEN OHNE

Einflussrohr

12 13

ZUGANG ZU SAUBEREM TRINKWASSER.

7

AKTIVKOHLE

SAND

KIES

Räumer

Sedimentation

Das Wasser fließt in ein Sedi-

mentations- oder Absetz becken, wo

es viele Stunden bleibt, sodass sich

Flocken und kleinere Schwebteilchen

am Boden absetzen können. Dort

werden sie durch einen Räumer –

rotierende oder von Ketten ge-

zogene Rechen – entfernt.

4

ABFLUSS

Filtration

Das Wasser fließt langsam

durch mehrere Schichten – oft Aktiv-

kohle, Sand und Kies. Dies filtert die

meisten übrigen Partikel aus. Die

Filterschichten werden regelmäßig

durch eine Rückspülung gereinigt:

Man pumpt sauberes Wasser

umgekehrt durch die Schichten.

5

6

läuft durch einen Tank, wo es

(falls Keime vorhanden sind)

mit Chlorgas desinfiziert

wird. Chlor schädigt die

Zellen von Mikroben, die

verschiedene Krankheiten

verursachen, sodass sie sich

nicht vermehren.

Chlorung

Das gefilterte Wasser

PUMPE

wird das Wasser in hoch

gelegene Tanks oder ab-

gedeckte Speicher oder

Reservoire gepumpt. Ein

Pumpwerk leitet das Wasser

zu Verteilerstationen, wo

es weitere Pumpen mit

konstanter Flussrate an die

Verbraucher verteilen.

Speicherung

Mit starken Pumpen

SAUBERES WASSER

3

eckige Becken, die Belebungsbecken,

gepumpt. Durch Rotore wird Luft in

das Wasser gepumpt, damit Bakterien

gedeihen, die Abfallstoffe abbauen

und in Biomasseflocken umwandeln.

Flüssigkeit läuft ins

Vorklärbecken zurück.

Feststoffe werden zu

Dünger getrocknet.

ENTWÄSSERUNG

SCHLAMM-

2

Pressen Wasser entzogen, das in die Klärbecken

zurückgeleitet wird. Der Schlamm wird dann

getrocknet und gepresst und als Dünger genutzt.

Verarbeitung des Klärschlamms

Dem Schlamm wird durch Zentrifugen oder

Zweite (biologische) Stufe

Das Wasser wird in große recht-

4

Dritte Stufe

Hier finden verschiedene Prozesse

ZU FLÜSSEN, SEEN, MEEREN

statt, auch die Abtrennung von Schlamm

im Nachklärbecken. Teils wird das Wasser

noch durch Schilfrohrbestände geleitet,

um weitere Stoffe auszufiltern. Manche

Kläranlagen desinfizieren das Wasser mit

Chemikalien oder UV-Licht.

NACHKLÄRBECKEN

WAS IST

HARTES WASSER?

Hartes Wasser ist Grundwasser,

das viel gelöstes Kalzium und

Magnesium enthält, die aus

dem Gestein ausgewaschen

wurden. In hartem Wasser

schäumt Seife weniger

stark.

Ölraffinerien

Erdöl wird aus Lagerstätten in der Erdkruste

gewonnen und per Schiff oder Pipelines zu

Raffinerien gebracht. Es besteht aus einem

Gemisch von Kohlenwasserstoffen, die für ver-

schiedene Produkte getrennt werden können.

Fraktionierte Destillation

Die Kohlenwasserstoffe im Rohöl haben

unterschiedliche Siedepunkte. Man trennt

sie, indem man das Öl verdampft; aus dem

Gas kondensieren dann bei verschiedenen

Temperaturen unterschiedliche Produkte.

Dies geschieht in einer Destillations-

kolonne, wobei Stoffe mit niedrigerem

Siedepunkt weiter oben kondensieren.

Böden in bestimmten Höhen sammeln

die sogenannten Fraktionen.

GLOCKE

Dampf

steigt in der

Kolonne auf.

Boden sammelt

die Fraktion.

Schlitz

Hals

BODEN

DAMPF

Durch kleine, bewegliche Deckel über

Öffnungen kann das Dampfgemisch

durch den Boden aufsteigen, aber die

Flüssigkeit nicht hinunterfließen.

Glockenboden

5

Kolonne kondensiert eine

Fraktion des Öldampfs, wird

flüssig, sammelt sich auf

den Destillationsböden und

wird zur Weiterverarbeitung

abgeleitet.

Durch Fallrohre fließen

Flüssigkeiten von einem

Segment zum anderen.

4

Gasdampf steigt auf

Kohlenwasserstoff-

fraktionen mit niedrigerem

Siedepunkt (»leichte Fraktio-

nen«) steigen in der Kolonne

durch Öffnungen in den

Böden weiter nach oben

als schwerere Fraktionen.

Dampf steigt durch Löcher

in den Böden auf.

3

Höhen der Säule, bei ver-

schiedenen Temperaturen,

kondensiert jeweils eine

Fraktion zu einer Flüssigkeit

und wird so abgetrennt,

während die anderen als

Gas weiter aufsteigen.

Destillation

In verschiedenen

Straight-Run-Benzin

Dies ist Benzin, das ohne

weitere Verarbeitung

genutzt wird. Etwa die

Hälfte des Rohöls wird

zu Benzin als Fahrzeug-

kraftstoff verarbeitet.

Destillationsboden

In jedem Segment der

Leichtes Naphtha

Diese Fraktion, auch

Leichtbenzin genannt,

wird oft zu Ethylen ver-

arbeitet, aus dem Kunst-

stoffe wie Polyethylen

hergestellt werden.

Flüssiggase

Leichtere Kohlenwasser-

stoffe wie Propan und

Butan kondensieren

nicht und werden am

Kolonnenkopf als Gas-

gemisch entnommen. Sie

werden in Gasflaschen

abgefüllt und zum Heizen

und Kochen genutzt.

Schweres Naphtha

Diese Fraktion wird

oft – etwa durch

Cracken (siehe unten) –

zu Benzin und anderen

Rohölprodukten

weiterverarbeitet.

Kerosin

Es wird als Brennstoff zum

Heizen genutzt oder weiter zu Treib-

stoffen für Flugzeuge raffiniert.

ENERGIETECHNIK

Ölraffinerien

14 15

IN JAMNAGAR

(STAAT GUJARAT,

INDIEN) STEHT DIE

2

GRÖSSTE RAFFINERIE DER

WELT, DIE BIS ZU 170 000

TONNEN ERDÖL PRO

TAG VERARBEITET.

1

Nachdem Salz und einige

andere Verunreinigungen

entfernt wurden, wird das

Rohöl mit überhitztem

Wasserdampf auf über

400 °C erhitzt.

Entsalztes Rohöl

wird erhitzt

Öl wird eingeleitet

Das erhitzte Rohöl wird

in die Kolonne eingeleitet. Der

Großteil steigt als Gas auf, aber

einige schwerere Fraktionen

bleiben flüssig.

Diesel

Dieselkraftstoff, der

weniger leicht ent-

flammbar als Benzin ist,

ist ein wichtiger Brenn-

stoff für Kraftwerke und

Fahrzeugmotoren.

Schweröl

Diese Fraktion umfasst

verschiedene Produkte wie

Schmieröle oder schwere

Heizöle für Schiffsantriebe

oder Kraftwerke.

ROHÖL

Destillationskolonne

Die Destillations- oder Rektifikations-

kolonne ist ein senkrechtes Rohr

mit horizontalen Böden, auf denen

sich die verschiedenen Fraktionen

sammeln.

ERHITZER

Der »Sumpf-

kocher« erhitzt

das verbleibende

flüssige Öl.

SÄUBERUNG VON ÖLVERSCHMUTZUNGEN

Chemikalien, die man Dispergier-

mittel oder Dispergatoren nennt,

werden auf das Wasser gesprüht.

Bei Unfällen mit Öltankern oder Lecks in Pipelines

kann Rohöl in die Umwelt gelangen und Ökosysteme

katastrophal schädigen. Die Säuberung auf See geschieht

mit Ölsperren (schwimmende Balken oder Schläuche), um

das Öl zu sammeln, sowie mit chemischen Methoden.

SUMPF

Residue

Nicht verdampftes Öl

sammelt sich im Sumpf.

Dieses Residue (engl. für

»Rückstand«) wird zu

Bitumen (Asphalt) für den

Straßenbau verarbeitet.

VERDAMPFER

Flüssigkeit im Sumpf

(unteres Ende der Kolonne)

wird in den Verdampfer geleitet.

Cracken

Lösemittel im Dispergiermittel

dringen in den Ölteppich ein, damit

Tenside auf das Öl wirken können.

Tenside verringern die Oberflächen-

spannung, sodass sich einzelne

Öltropfen aus dem Teppich lösen.

Die Tröpfchen verteilen sich und

werden langfristig von Mikro-

organismen zersetzt.

Rohölfraktionen mit niedrigerem Siede-

punkt sind leichter entflammbar und

verbrennen mit einer saubereren Flamme.

Daher sind sie stärker gefragt als die

schwereren Fraktionen. Um den Bedarf

zu decken, werden schwere Fraktionen

durch das sogenannte Cracken teils in

wertvollere Produkte umgewandelt. Dabei

werden die langen Kohlenwasserstoff-

ketten der schweren Fraktionen durch

Hitze oder Katalysatoren wie Siliziumoxid

oder Aluminiumoxid zu kürzeren

Ketten aufgebrochen.

Generatoren

Stromgeneratoren funktionieren nach dem

Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Wenn eine Drahtspule zwischen zwei Magnet-

polen rotiert, wird ein elektrischer Strom in

der Spule und im Stromkreis induziert.

Gleichstrom und Wechselstrom

Generatoren erzeugen entweder Wechselstrom oder Gleichstrom.

Gleichstrom fließt immer in einer Richtung durch einen Strom-

kreis; Batterien geben Gleichstrom ab. Wechselstrom wechselt

viele Male pro Sekunde die Richtung. Seine Spannung kann ein-

fach durch Transformatoren erhöht oder erniedrigt werden, um

den Strom effektiver über große Entfernungen zu transportieren.

Deshalb läuft die Stromversorgung mit Wechselstrom.

Wechselstromgeneratoren

Die rotierende Drahtspule ist mit dem äußeren Stromkreis über Schleifringe und Schleif-

bürsten verbunden. Jede der beiden Schleifbürsten hat kontinuierlichen Kontakt mit

einem Ring und bildet die leitende Verbindung zwischen den rotierenden Ringen und

den festen Drähten des äußeren Stromkreises. Der Strom wechselt bei jeder vollen

Umdrehung der Spule zweimal die Richtung.

Richtung des elektrischen

Stroms

Schleifbürste im Kontakt

mit rotierendem Schleifring

Lampe leuchtet.

Drahtspule

Magnetische Feldlinien

Schleifringe drehen

sich mit der Spule.

Kurbel dreht die

Welle mit der Spule.

1

Richtung des

induzierten Stroms

mechanische Kraft der Kurbel. Sie dreht eine Drahtspule in dem Magnet-

feld zwischen den Polen eines Permanentmagneten. Die Bewegung

des Drahts im Magnetfeld induziert einen elektrischen Strom in einer

Richtung. Er ist dann am stärksten, wenn sich der Draht rechtwinklig

zum Feld bewegt, also hier in der waagrechten Stellung der Spule.

Spule beginnt zu rotieren

Die Welle dieses Wechselstromgenerators rotiert durch die

2

Kurbel wurde um

180° gedreht.

Strom kehrt

Richtung

um.

sich die Teile, die sich vorher abwärts bewegten, nun aufwärts. Da sich

die Lage der Spule relativ zu den Magnetpolen umgekehrt hat, kehrt

sich auch die Richtung des induzierten Stroms um. Daher wechselt die

Stromrichtung bei jeder halben Drehung. Der Strom fließt über die

Schleifringe und Bürsten durch den äußeren Schaltkreis.

Stromrichtung kehrt sich um

Wenn die Spule um 180° im Magnetfeld gedreht wurde, bewegen

Äußerer

Stromkreis

Drahtspule um 180° gedreht

Spannung (V)

+170

0

0,04

-170

Fluktuierende

Spannung

Verschiedene Stromarten

Beim Gleichstrom bleibt die Spannung

gleich. Beim Wechselstrom fluktuiert

sie, weil der Strom die Richtung um-

kehrt. Um die gleiche Leistung zu

transportieren, muss die Spitzen-

spannung höher sein.

LEGENDE

Wechselstrom

Gleichstrom

(Sekunden)

Zeit

Gleichstrom hat

konstante Spannung.

SÜDPOL

NORDPOL

SÜDPOL

NORDPOL

ENERGIETECHNIK

Generatoren

FAHRRADDYNAMOS

Ein Fahrraddynamo versorgt

eine elektrische Fahrrad-

lampe. Ein üblicher Seiten-

läuferdynamo hat ein Reib-

rad, das beim Fahren durch

die Seitenwand des Reifens

angetrieben wird und das

über eine Achse einen

Permanentmagneten dreht.

Die resultierende Magnet-

feldänderung wird über

einen u­förmigen Blechanker

an eine Spule weitergegeben,

in der dadurch ein Wechsel-

strom induziert wird.

Rotierende

Achse

Reibrad wird vom

Reifen getrieben.

WAS IST DIE

FREQUENZ VON

WECHSELSTROM?

Sie besagt, wie oft er die

Permanent-

magnet

Drahtspule auf

einem Blechanker

Induzierter Strom

fließt zur Lampe.

Richtung wechselt, gemessen in

Hertz (Hz). 1 Hz ist eine Umkehr

pro Sekunde. In Europa hat

Netzstrom 50 Hz, in Amerika

meist 60 Hz.

16 17

Gleichstromgeneratoren

Bei einem Gleichstromgenerator wird der Wechselstrom durch eine Vorrichtung,

den Kommutator oder Stromwender, in Gleichstrom umgewandelt. Er hat einen

Schleifring mit zwei voneinander isolierten Hälften. Dadurch wird die Polarität

immer genau dann umgeschaltet, wenn die Stromrichtung in der Spule

wechselt, sodass sie insgesamt gleich bleibt.

Magnetfeldlinien

Bürste in Kontakt mit

abwechselnd je einer

Hälfte des Kommutators

Lampe leuchtet.

Stellung

der Spule mit

maximalem

Strom

Jede Seite der Spule ist

mit einem der Segmente

verbunden.

Kommutator oder

Stromwender

1

Kurbel dreht

Achse und Spule.

Umschalten der Verbindung

Magnetfeldlinien

Strom fließt durch den

Stromkreis von einem

Segment des Kommutators

zum anderen.

In der Lage der Spule, in der die Induktion am stärksten ist, fließt

2

der Strom durch ein Segment des Kommutators, dann durch den äuße-

ren Stromkreis und zurück durch das andere Segment. Wenn sich die

Spule um 180° dreht, verliert die Schleifbürste den Kontakt mit dem

ersten Segment und kommt in Kontakt mit dem anderen Segment. So

fließt der Strom bei jeder Halbdrehung wieder in die gleiche Richtung.

Kurbel ist um 90°

gedreht.

Im Stromkreis fließt

kein Strom.

Unterbrechung des Stroms

In der vertikalen Stellung bewegt sich der Draht nicht recht-

winklig zu den Magnetfeldlinien, sondern an ihnen entlang, sodass hier

kein Strom induziert wird. Deshalb erzeugt ein Gleichstromgenerator

keinen konstanten, sondern einen gepulsten Strom. Die meisten tech-

nischen Generatoren haben daher mehrere gegeneinander gedrehte

Spulen mit Kommutatoren, sodass eine davon immer optimal steht.

In vertikaler Stellung der Spule

wird kein Strom induziert.

Lampe

leuchtet

nicht.

SÜDPOL

NORDPOL

SÜDPOL

NORDPOL

E

F

G

L

E

Universalmotoren

Ein Universalmotor hat statt des Permanentmagneten

einen Elektromagneten (»Erreger«) aus Drahtwicklungen

um einen Ständer. In dessen Magnetfeld rotiert eine

weitere Spule auf einem Anker aus Blech. Durch die

Erregerwicklungen und die Ankerwicklungen fließt der

gleiche Strom, da sie in Reihe geschaltet sind. Daher

haben sie stets dieselbe Polarität, sodass der Motor

sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom läuft.

Elektrische Bohrmaschine

Die meisten Bohrmaschinen haben

einen Universalmotor, der ein hohes

Drehmoment besitzt und dessen

Rotationsgeschwindigkeit man

einstellen kann.

Elektromotoren

Elektromotoren nutzen Anziehungs- und Abstoßungs-

kräfte von elektrischen Strömen und Magnetfeldern für

Rotationsbewegungen. Motoren sind unterschiedlich

groß, von mikroskopisch kleinen Aktoren in elektro-

nischen Geräten bis zu riesigen Schiffsantrieben.

Südpol des

Permanentmagneten

Drahtspule

Kommutator

(Stromwender)

Nordpol

Magnetfeld-

linien

Bürste

1

BATTERIE

Drahtspule, die zwischen den Polen eines

Permanentmagneten sitzt. Dadurch wird

die Spule zum Elektromagneten.

Stromfluss in der Spule

Ein elektrischer Strom fließt in die

Wie ein Elektromotor funktioniert

In vielen Motoren bewegt sich eine Drahtspule durch das stationäre

Magnetfeld eines Permanentmagneten. Wenn ein Strom fließt, wird

die Spule zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol. Sie dreht sich

dann so, dass ihre Pole mit denen des Permanentmagneten ausge-

richtet sind. Ein Kommutator oder Stromwender schaltet bei jeder

halben Drehung die Stromrichtung um und vertauscht so die Pole der

Spule, sodass sie sich weiter in dieselbe Richtung dreht. Die Spule

sitzt auf einer Achse, die externe Komponenten wie Räder antreibt.

2

BATTERIE

des Permanentmagneten dreht sich die

Spule. Nach einer Vierteldrehung

ziehen sich die ungleichen Pole

an, und sie dreht sich weiter.

Drehung der Spule

Abgestoßen von den gleichen Polen

WIE SCHNELL

ROTIEREN GLEICH-

STROMMOTOREN?

Typisch sind etwa 25 000

Umdrehungen pro Minute,

aber manche Motoren, etwa

in Staubsaugern, erreichen

bis zu 125 000.

Bürste überträgt Strom

von der Batterie zum

Kommutator.

ETWA 45 %

DES STROM-

VERBRAUCHS TREIBEN

ELEKTROMOTOREN AN.

Antriebswelle wird vom Motor

gedreht.

Spule rotiert, abgestoßen vom

Permanentmagneten.

Kommutator rotiert

zusammen mit der Spule.

ENERGIETECHNIK

Elektromotoren

18 19

4

die Antriebswelle. Das Getriebe

reduziert die Drehzahl, steigert aber

das Drehmoment, um das Material

mit großer Kraft zu durchbohren.

Antriebswelle rotiert

Der rotierende Anker dreht

3

die Polarität des Magnetfelds

des Ankers um. Dadurch wird

er abwechselnd angezogen und

abgestoßen und rotiert.

Kommutator

Der Kommutator kehrt

2

Ständer- und die Ankerwicklungen

und erzeugt Magnetfelder. Der

Strom fließt durch beide Spulen

hintereinander (»Reihenschaltung«).

Magnetfeld

Der Strom fließt durch die

Lager stützt

das Ende

der Achse.

LÜFTER

Getriebe erhöht

das Drehmoment

(Kraft der Rotation).

Lüfter kühlt den Motor.

Ständer (Stator) mit Erreger-

wicklungen aus Kupferdraht

Spule rotiert

weiter.

Kommutator

kehrt Strom in

der Spule um.

Pole der Spule

werden vom

Permanent-

magneten

abgestoßen.

BATTERIE

3

Stromumkehr

Der Kommutator kehrt die Richtung

4

des Stroms um. Das kehrt auch die Polarität

des Magnetfelds der Spule um, sodass ihre

Pole erneut abgestoßen werden.

LINKE-HAND-REGEL

Die einfache Regel zeigt, wie sich ein Draht im Magnet-

feld bewegt. Mit dem Daumen der linken Hand in

Richtung des Elektronenstroms (also vom Minuspol zum

Pluspol, entgegen der »technischen Stromrichtung«) und

dem Zeigefinger in Richtung der Magnetfeldlinien zeigt

der Mittelfinger die Richtung der Kraft auf den Draht.

Richtung des Elektronen-

stroms

richtung

Kraft, die auf

den Draht wirkt

Magnet-

feld-

BATTERIE

Abstoßung der Pole

Die Spule dreht sich weiter, weil sie

von den Polen des Permanentmagneten

abwechselnd angezogen und abgestoßen

wird, wenn die Stromrichtung wechselt.

1

Steckdose durch ein Kabel

zum Schalter geleitet. Der

Strom fließt nur zum Univer-

salmotor, wenn der Schalter

gedrückt wird und den Kon-

takt herstellt. Manche Bohrer

haben statt des Netzkabels

wiederaufladbare Batterien.

Stromversorgung

Strom wird von der

SCHALTER

ANKER (ROTOR)

KOMMUTATOR

GETRIEBE

S T

R O

M L E I

T U

N G

Kraftwerke

Elektrizität ist eine sehr vielfältige Energieform,

die über lange Strecken transportiert und für

viele Zwecke eingesetzt werden kann. Enorme

Strommengen werden in Kraftwerken erzeugt,

meist aus fossilen Brennstoffen wie Kohle.

Wie ein Kraftwerk funktioniert

In einem konventionellen Kohlekraftwerk wird in einem Kessel

über einer Brennkammer überhitzter Dampf erzeugt, der Turbinen

antreibt, die mit Generatoren zur Stromerzeugung verbunden

sind. Ein großes Kraftwerk kann 2000 MW Strom erzeugen; genug

für eine Million Haushalte. Der Dampf wird dann gekühlt und

kondensiert wieder zu Wasser. Die Rauchgase werden gereinigt,

und die Asche und Schlacke wird oft zu Blöcken gepresst.

66 % DES STROMS

WERDEN WELTWEIT

AUS FOSSILEN

BRENNSTOFFEN ERZEUGT.

SIND WIR WENIGER

VON KOHLE ABHÄNGIG?

Im Gegenteil: Der Kohle-

verbrauch ist in den letzten Jahr-

zehnten in die Höhe geschossen.

Seit den 1970er-Jahren stieg

der jährliche Verbrauch

um über 200 %.

Gereinigte Abgase werden durch

den Schornstein ausgestoßen.

ENTSCHWEFELUNGS-

ANLAGE

Ammoniak wird ein-

geleitet und reagiert

mit Stickoxiden zu

Stickstoff und Wasser.

DAMPF

Kalksilo

ABSCHEIDER

STAUB-

Dampf wird in

Turbine geleitet.

KESSEL

SCHORNSTEIN

Der entstehende

Gips wird in der Bau-

industrie genutzt.

Asche wird gesammelt und als

Betonzusatz genutzt.

BRENNKAMMER

WASSER

ZUM

KESSEL

1

Brennkammer transportiert. Ein großes

Kraftwerk kann über 1000 Tonnen Kohle

pro Stunde verbrennen.

Brennstoff

Kohle wird zermahlen und in die

Kohlemühle zerkleinert

die Kohle.

2

Einspeisung von Kaltwasser

auf über 500 °C erhitzt. Die Rauchgase laufen zur Reinigung durch

einen Staubabscheider und eine Entschwefelungsanlage,

Brennkammer und Kessel

Wasser, das durch Rohre im Kessel läuft, wird bei hohem Druck

Luftzuführung

ENERGIETECHNIK

Kraftwerke

Rauchgasreinigung

Die Rauchgase aus der Verbrennung

werden vor ihrer Freisetzung von

Schadstoffen gereinigt. Ein Staub-

abscheider entfernt Feinstaub mit-

hilfe elektrostatischer Ladungen,

und über 95 % des Schwefels werden

durch Rauchgasentschwefelungs-

anlagen entfernt. Doch schädliche

Emissionen sind dennoch ein

Problem. In der EU werden jähr-

lich mehrere Millionen Tonnen

Schwefeldioxid emittiert.

Abgas enthält nur

noch wenig Feinstaub.

3

Turbine

ELEKTRO-STAUBABSCHEIDER

Metallplatte

Negativ

geladener

Staub wird

von positiv

geladener

Platte ange-

zogen.

20 21

WIRKUNGSGRAD

Nur etwa ein Drittel der

Energie des Brennstoffs erreicht

den Verbraucher. Über 60 %

gehen im Kraftwerk verloren.

Energie im Brenn-

stoff (100 %)

Verbraucher (33 %)

Transport-

verluste (5%)

Verbrauch im

Kraftwerk (7 %)

Staub wird

abtransportiert.

Einströmendes

Gas mit Fein-

staub

Schaufeln von Dampfturbinen mit großer

Kraft. Die schnelle Rotationsbewegung wird

über eine Welle an den Generator übertragen.

Der Hochdruckdampf treibt die

5

Stromversorgungsnetz

Die Spannung wird durch einen Trans-

formator erheblich erhöht. Dies verringert die

Verluste beim Transport mit Hochspannungs-

leitungen über weite Entfernungen.

Der Dampf wird im Kondensator

gekühlt und in den Kühlturm gesprüht. Der

Großteil kondensiert als Wasser in der Kühl-

turmtasse, aber ein Teil der Wärme entweicht.

6

Kühlturm

Wärme geht

ebenfalls verloren.

TURBINE

AUSGESTOSSENER

DAMPF

Wärmeverlust an

die Umwelt (55 %)

Dampf

GENERATOR

kondensiert.

KONDENSATOR

4

Tausend Umdrehungen pro Minute. Er erzeugt

Wechselstrom typischerweise mit 25 000 Volt.

Generator

Der Rotor des Generators rotiert mit einigen

TRANSFORMATOR

STROMNETZ

KÜHLTURM

Heißwasser wird

eingesprüht.

Wärmetauscher

WARMES WASSER WIRD VOM KONDENSATOR

ZUM KÜHLTURM GEPUMPT.

EINSTROM VON KALTLUFT

KALTES WASSER FLIESST ZUM KONDENSATOR.

TASSE (WASSERBECKEN)

WASSER VOM

PUMPWERK

Stromversorgung

Elektrizität wird überwiegend in großen Kraftwerken

(S. 20–21) erzeugt und dann zu Verbrauchern wie Fabriken

und Haushalten transportiert, oft über weite Strecken.

Dies erfordert ein großes, komplexes System von Kabeln,

Schalt- und Umspannwerken: das Stromnetz.

Stromübertragung

Die enorme Menge an elektrischem Strom, die

Industrie, Betriebe und Haushalte brauchen, muss

zu den Verbrauchern transportiert werden. Strom-

leitungen über und unter der Erde verteilen den

Strom, während Transformatoren, oft in Umspann-

werken, für die richtige Spannung sorgen. Ein Netz

von Sensoren und Messgeräten stellt sicher, dass

dieses lebenswichtige System optimal funktioniert.

5

0

GENERATOR

1

wandelt die kinetische Energie der Turbine

in elektrische Energie um. In der Praxis liefert

er einen Wechselstrom (S. 16) mit einer typi-

schen Spannung von 25 Kilovolt (25 000 Volt).

Kraftwerk

Der Stromgenerator im Kraftwerk

2

AUFSPANNTRANSFORMATOR

Umspannwerk

Im Umspannwerk wird mit Trafos die

3

Spannung hochtransformiert, meist auf 220,

380 oder 400 Kilovolt (»Höchstspannung«).

Je höher die Spannung, desto geringer die

Stromstärke und damit die Leitungsverluste.

TRANSFORMATOREN (TRAFOS, UMSPANNER)

Ein Transformator verändert die

Spannung durch elektromagnetische

Induktion. Ein Wechselstrom fließt

durch die Primärspule, die um einen

Eisenkern gewickelt ist. So entsteht

ein magnetisches Wechselfeld, das

einen Strom in der Sekundärspule

induziert. Hat die Sekundärspule

mehr Wicklungen als die Primär-

spule, wird die Spannung hoch-

transformiert (erhöht; »Aufspann-

trafo«), bei weniger Windungen her-

untertransformiert (»Abspanntrafo«).

Wechsel-

strom

fließt

durch

Primärspule.

Sekundärspule hat doppelt

so viele Windungen;

induzierte Spannung ist

doppelt so hoch.

WARUM KÖNNEN VÖGEL

AUF LEITUNGEN SITZEN?

Strom nimmt den Weg des

100 V

AUFSPANNTRANSFORMATOR

Eisenkern

200 V

geringsten Widerstands. Der

Körper des Vogels ist weniger

leitfähig als der Draht, daher

fließt der Strom nicht durch

den Körper, sondern weiter

entlang der Leitung.

Übertragungsnetz

aus stahlverstärktem Aluminium. Glas- oder

Keramikisolatoren zwischen dem Mast und

der Stromleitung verhindern, dass der Strom

durch den Mast zur Erde abfließt.

Höchstspannungsmasten bestehen oft

S

Isolator

Freileitungs-

seil

Tragklammern

3

3

MAST

8

0

0

Freileitungsmast

Freileitungsmasten sind meist hohe

Rohr- oder Gitterkonstruktionen aus

Stahl oder Aluminium. Sie tragen

Stromleitungen in sicherer Höhe über

dem Boden. Isolatoren trennen die

unter Spannung stehende Leitung

vom geerdeten Mast.

I

S

S

T

O

S

L

A

M

T

O

R

I

E

V

T

N

0

V

0

V

S

E

2

8

0

0

0

0

0

R

0

O

M

A

ENERGIETECHNIK

Stromversorgung

DER HÖCHSTE FREILEITUNGSMAST

DER WELT (IN CHINA) IST

370 METER HOCH.

Das Mittelspannungsnetz

hat 10 kV bis 35 kV.

Abspanntransformator

erniedrigt die Spannung.

22 23

Sicherung

Primärseite erhält

Strom aus Freileitung.

Sekundärseite gibt

Niederspannung an

Haushalte ab.

ABSPANN-

TRANSFORMATOR

UMSPANNWERK

Trafo am Strommast

Diese tonnenförmigen Trafos

an Strommasten transformieren

die Mittelspannung auf Nieder-

spannung für Haushalte

herunter.

INDUSTRIEBETRIEBE

FABRIK

4

Verteilnetz

Hochspannung von 110 oder 132 Kilovolt

heruntertransformiert, um sie an Regionen

oder direkt an einzelne große Industrieanlagen,

die sehr viel Strom verbrauchen, zu verteilen.

Höchstspannung wird meist auf

Erdkabel

Da Freileitungen das Landschafts-

bild stören und Fläche verbrauchen,

werden viele Stromkabel unter-

irdisch verlegt. Diese Erdkabel

müssen mehrfach isoliert und

geschützt werden. Sie werden

meist in einem Graben verlegt. Die

einzelnen Abschnitte können bis

1 km lang sein. An den Verbindungs-

stellen wird der Graben besonders

verstärkt. Oft werden die Kabel

durch Kabelschutzrohre oder Beton-

abdeckungen gegen versehentliche

Schäden bei Bauarbeiten geschützt.

5

Umspannwerke und Trafostationen

Die Hochspannung wird in Umspann-

6

werken mit mehreren Trafos oder kleineren

Trafostationen zu Mittelspannung von 10 kV

oder 20 kV heruntertransformiert. Sie versorgt

Stadtteile oder kommerzielle Kunden.

TRAGSCHICHT

OBERFLÄCHE

SAND­ZEMENT­MISCHUNG

Schutzabdeckungen aus Beton

KOMPAKTIERTE

Getränktes Papier

zur Isolierung

Bleischeide

KOMPAKTIERTE SCHICHT VON

GESIEBTEM BODENMATERIAL

GESTEIN

Erdkabel

Schutz-

mantel

HAUS

liefert Strom an Haushalte. Die Spannung

wird oft durch Trafos verringert, die direkt am

Strommast hängen. Von dort wird der Strom

zum Sicherungskasten im Haushalt geleitet.

Niederspannung für Haushalte

Ein Netz von Niederspannungsleitungen

Leiter aus

Kupfer oder

Aluminium

Stahldraht-

armierung

Erdkabel sind spezielle Kabel, die so aufge-

baut sind, dass sie der Feuchtigkeit im Boden

widerstehen. Die leitfähigen Drähte werden

durch vier Schichten isoliert und geschützt.

Sie werden in mindestens 1 m Tiefe verlegt.

T

L

1

R

E

1

0

1

A

B

0

0

1 METER

N

0

0

S

A

0

0

F

K

0

O

S

3

3

R

G

0

V

M

A

2

U

0

O

T

0

R

V

N

V

0

V

A

1

A

0

0

M

0

S

3

S

T

H

R

C

O

O

M

V

M

A

S

T

3 3 0 0 0

H

0

0 0 V

P

8

0

3

N

N

V

0

Kern-

energie

Kernenergie wird frei-

gesetzt, wenn Atomkerne

gespalten werden (Kern-

spaltung) oder wenn sie

miteinander verschmelzen

(Kernfusion). Ein Kernkraft-

werk nutzt die Energie, die

bei der Kernspaltung frei

wird, zur Stromerzeugung.

Kernspaltung

Kernkraftwerke werden mit

radioaktiven Elementen wie Uran

betrieben. Bei der Spaltung der

Atomkerne des Brennstoffs werden

enorme Energiemengen als Wärme

frei, die über Dampfturbinen

Generatoren antreiben. Kernspaltung

braucht relativ kleine Brennstoff-

mengen und setzt weniger Treib-

hausgase frei als fossile Brennstoffe.

Freigesetzte

Wärmeenergie

In einem Kernreaktor

Die Kernspaltung findet in

einem Reaktor statt, der in einer

verstärkten Betonkuppel unter-

gebracht ist, die die entstehende

Strahlung zurückhält.

3

Kontrollstäbe

Kontroll-

4

strömt in einen Wärmetauscher, wo es Wärme-

energie an einen zweiten, geschlossenen Wasser-

kreislauf abgibt. In ihm wird kaltes Wasser zu

heißem Dampf unter hohem Druck erhitzt.

Dampferzeugung

Das vom Reaktorkern erhitzte Wasser

Heben der Kontrollstäbe

beschleunigt die Reaktion.

stäbe steuern die

Geschwindigkeit der

Kettenreaktion. Wenn

sie zwischen die

Brennstäbe gesenkt

werden, absorbieren

sie viele der freien

Neutronen, was die

Reaktion bremst.

TAUSCHER

WÄRME-

Kontrollstäbe

werden in den

Reaktorkern

gesenkt, um

Neutronen

aufzufangen

und die

Ketten-

reaktion zu

bremsen.

Urankern

Kern spaltet sich.

2

Emission von

Neutronen

Kettenreaktion

Von Neutronen getroffene Urankerne

werden instabil, spalten sich unter Wärme-

abgabe und geben dabei weitere Neutronen

ab. Diese treffen auf weitere Kerne, und

es kommt zur Kettenreaktion.

Uranbrennstäbe

Hunderte Metallstäbe,

zu Bündeln zusammengefasst,

enthalten kleine Kugeln (Pellets)

aus Uran. Sie werden in den

Reaktorkern gesenkt.

1

O

Wasser im

Reaktorkern

Pumpe lässt

das Wasser

zirkulieren.

PUMPE

R

E

BRENNSTÄBE

KONTROLL-

STÄBE

E

K

T

R

E

N

R

S

P

A

L

N

T

U

R

N

R

G

S

C

I

H

H

E

I

S

T

B

E

H

Ä

L

E

E

A

K

K

T

R

ENERGIETECHNIK

Kernenergie

24 25

5

Rotierende Turbine

Die Schaufeln der Dampfturbine

6

werden von dem Hochdruckdampf aus

dem Wärmetauscher getrieben. Die

Turbine rotiert meist mit 1800–3600

Umdrehungen pro Minute.

DAMPF

TURBINE

Stromerzeugung

Der Stromgenerator wird von der

KERNSCHMELZE

Antriebswelle der Turbine angetrieben.

Ein Transformator erhöht die Spannung,

damit der Strom im Stromnetz mit mög-

lichst wenig Verlust verteilt werden kann.

GENERATOR

Zum

Stromnetz

Dampf wird

gekühlt und

kondensiert

zu Wasser.

KONDENSATOR

Heißes Wasser

strömt zum

Kühlturm und

wird in ihm

versprüht.

Kaltwasser vom

Kühlturm strömt

zurück zum

Kondensator.

Kernkraftwerk

Ein Kernkraftwerk besteht aus einem Kern-

reaktor, Dampfturbinen und Generatoren,

die alle mit einer Vielzahl von Kontroll- und

Sicherheitssystemen verbunden sind.

Wenn die Kühlsysteme in einem

Kernreaktor versagen, kann sich

die Hitze der Kettenreaktion in

den Brennstäben aufstauen. Im

Extremfall schmelzen die Stäbe und

brennen sich durch die Sicherheits-

behältnisse. Dabei können große

Mengen Radioaktivität frei werden

und die Umwelt kontaminieren.

2011 kam es nach einem Erdbeben

mit Tsunami im Daiichi-Kraftwerk

in Fukushima ( Japan) zur teilweisen

Kernschmelze in drei Reaktoren.

Schmelzende

Brennstäbe

brennen sich

durch die

Betonhülle.

Brenn-

stab

Kontroll-

stab

1

stäbe, die große Mengen Wärme

und Strahlung abgeben, werden

mehrere Jahre gelagert.

Brennstabbündel

Verbrauchte Brenn-

Einzelne

Brennstäbe

2

vermischt und die Masse dann in

Metallbehälter (Kokillen) gegossen.

wird mit geschmolzenem Glas

Kokille (Stahl- oder

Kupferbehälter)

Verglasung

Der radioaktive Abfall

3

Ton-

schicht

werden eingelagert, umgeben von

einer dicken Tonschicht zum Schutz

gegen Wasser und Bewegung.

Tonversiegelung

Die Glaskokillen

4

Kühl-

systeme

sollte 500–1000 m unter der

Erdoberfläche liegen und ständig

überwacht werden.

Endlagerstätte

Die Endlagerstätte

Lagerung des radioaktiven Abfalls

Verbrauchte Brennstäbe werden nach 2–5 Jahren

aus dem Reaktor entfernt, aber sie geben noch jahr-

zehntelang Wärme ab und noch viel länger gefährliche

Strahlung. Meist werden sie zunächst einige Jahre in

Abklingbecken (kalten Wasserbecken) gelagert. Dann

werden sie entweder wiederaufbereitet oder mit Beton

in Fässer eingegossen. Mehrere Länder planen Endlager

tief im Untergrund, aber noch ist keines in Betrieb.

Geologische Endlager

Eine mögliche Lösung für die Endlagerung nutzt die bereits

etablierte Technik der Verglasung, um die Abfälle dann in tiefe

Bohrlöcher mit konstanter Temperatur zu versenken.

ABFÄLLE PRO JAHR.

EIN 1000-MW-KERNKRAFT-

WERK ERZEUGT ETWA

27 TONNEN RADIOAKTIVE

Blattverstellung verändert

den Pitch (Anströmwinkel).

Rotor (Blätter und Nabe)

und Rotorwelle rotieren

im Uhrzeigersinn.

1

Rotorblätter sitzen an einer

Nabe auf einer frei rotierenden

Antriebswelle. Sie fangen den

Wind und drehen die Welle.

Ihr Anströmwinkel (»Pitch«)

kann verstellt werden, um die

Geschwindigkeit zu regulieren.

Rotorblätter

Die propellerartigen

2

Getriebe

Das Getriebe ist oft der teuerste Teil einer Wind-

kraftanlage und übersetzt die langsame Rotation der

Rotorwelle von etwa 15–40 Umdrehungen pro Minute

in eine schnelle Rotation (1000–1800 Umdrehungen

pro Minute), um den Generator effizient zu betreiben.

Anemometer misst die

Windstärke.

Bremsen stoppen

die Rotorblätter,

wenn die Windstärke

für einen sicheren

Betrieb zu hoch ist.

ROTORBLATT

Ein Motor im Turm dreht

die gesamte Gondel,

sodass die Rotorblätter

optimal im Wind stehen.

Wie eine Windkraft anlage

funktioniert

Die Rotorblätter wandeln die Energie

des Windes in mechanische Kräfte um,

die einen Generator treiben. Getriebe

und Generator sitzen auf dem Turm in der

Maschinengondel. Zwar brauchen Windkraft-

anlagen möglichst stetigen Wind, aber sie

können Tag und Nacht laufen und geben keine

schädlichen Stoffe ab. Oft werden sie in Gruppen als

Windparks errichtet, sowohl an Land als auch vor

der Küste (»offshore«), und sie sind meist ans Strom-

netz angeschlossen.

3

Generator

Der hinter dem Getriebe

Windfahne

misst die

liegende Generator wandelt

die mechanische Energie der

rotierenden Welle in elektrische

Energie um.

Windrichtung.

Anlagensteuerung

und -überwachung

sendet Wetter- und

Anlagendaten an zentrale

Diagnosezentren.

G

MASCHINENGONDEL

STEUERUNG

G

ROTORWELLE

GENERATORWELLE

G

G

E

N

T

E

A

R

E

I

E

B

O

E

G

N

B

R

E

A

T

R

W

W

W

I

I

I

N

D

ND

N

D

R

R

R

I

C

H

ICH

CI

H

T

U

N

TUN

TUN

ENERGIETECHNIK

Windenergie

26 27

STROMKABEL

Windenergie

Seit Jahrhunderten wird die Windkraft

für Segelschiffe und Windmühlen genutzt.

Moderne Windkraftanlagen liefern erneuer-

bare Energie, indem sie die kinetische

Energie des Windes in elektrische Energie

umwandeln, ohne fossile Brennstoffe zu ver-

brauchen oder Treibhausgase auszustoßen.

EINE TYPISCHE WINDKRAFT ANLAGE

ERZEUGT GENUG ELEKTRIZITÄT FÜR

1000 HAUSHALTE.

Dezentralisierung

Unter Mikroerzeugung versteht man Kleinstanlagen, etwa frei stehende

oder auf Dächern montierte Windkraftanlagen, teils verbunden mit

anderen regenerativen Energien wie Sonnenkollektoren zur Warmwasser-

erzeugung oder Fotovoltaikanlagen. Sie verringern die Abhängigkeit von

großen, zentralisierten Kraftwerken, die oft fossile Brennstoffe brauchen

und Schadstoffe abgeben.

Eigenversorgung

Eine Windkraftanlage kann den

Strombedarf eines Haushalts decken.

Überschüssiger Strom wird über

einen Stromzähler, der Strom

in beide Richtungen misst,

in das Netz eingespeist.

Sicherungskasten

verteilt den Strom und

sichert das Netz ab.

Überschüssiger

Strom wird ins Netz

eingespeist.

Stromzähler misst

die erzeugte

Energie.

Inverter wandelt

Gleichstrom von der

Anlage in Wechsel-

strom (S. 16) für den

Hausgebrauch um.

WINDKRAFT UND TIERLEBEN

Der Bau von Windenergie-

anlagen kann Ökosysteme an

Land und auf See stören, aber

am direktesten sind die Folgen

für Vögel und Fledermäuse.

Eine Lösung ist es, Windparks

nicht in der Nähe von Nist-

plätzen oder Wanderrouten

von Zugvögeln zu bauen.

Eine andere Möglichkeit

sind »akustische Leucht-

türme«: Geräte, die laute

Töne erzeugen, um

die Tiere zu warnen.

4

fließt durch eines oder mehrere Kabel im

Inneren des Turms.

5

Elektrischer Strom

Der vom Generator erzeugte Strom

Erhöhung der Spannung

Ein Aufspanntransformator erhöht die

Spannung des Stroms vom Generator, sodass

er entweder lokal verwendet werden kann

oder mit der richtigen Spannung ins allge-

meine Stromnetz eingespeist werden kann.

AUFSPANN-

TRANSFORMATOR

TURM

Wasserkraft und

Geothermie

Die Energie von fließendem Wasser und

die Wärme der Erdkruste lassen sich zur

Energieerzeugung nutzen. Sie sind saubere,

nach haltige Energiequellen, brauchen

aber meist erhebliche Investitionen.

Gezeitenkraft

Gezeitenkraftwerke nutzen die kinetische Energie

von Ebbe und Flut im Meer, um über Turbinen Strom-

generatoren anzutreiben. Einige Systeme sind frei

stehende Turbinen, die Windkraftanlagen ähneln. Meist

jedoch wird eine Bucht oder eine Flussmündung mit

einen Damm abgetrennt, der mehrere Turbinen enthält.

Niedriger

Wasserstand

GENERATOR

GEZEITEN-

BECKEN

Turbinen-

schaufeln

MEER

BODEN DER BUCHT

Gezeitenkraftwerk mit Damm

Das Wasser, das bei Flut in eine Bucht strömt, wird durch einen

Damm gestaut. Siele (Durchlässe) mit einem Fluttor oder Schütz

(Absperrplatte) kontrollieren den Fluss durch die Turbinen.

TRANSFORMATOR

Bei offenem Schütz

strömt Wasser durch

den Turbinentunnel.

Hoher

Wasserstand

Wasserkraft

Wasserkraftwerke wandeln die Energie des fallenden oder

schnell strömenden Wassers über Turbinen und Generatoren

in Strom um. Für ein größeres Gefälle wird das Wasser mit

einem Wehr (an Flüssen) oder einem Staudamm gestaut.

Damm staut Wasser im

Oberlauf auf.

OBERWASSER/STAUSEE

SCHÜTZ

WASSER-

EINLAUF

Rechen stoppt

große Fremdkörper

im Wasser.

1

Wassereinlauf

Das Schütz (eine Absperreinrichtung)

TURBINE

wird geöffnet. Dadurch kann der Druck des

Oberwassers das Wasser durch eine weite,

tunnelartige Druckrohrleitung pressen.

Fließendes

Wasser dreht

Turbinen-

schaufeln.

Schütztafel wird

gehoben und

öffnet Einlauf.

Turbine dreht

Antriebswelle.

GENERATOR

DAMM

2

Geschwindigkeit durch eine Turbine und

treibt mit großer Kraft deren Schaufeln an. Die

Turbine treibt dann einen Generator, der aus

der Bewegung elektrischen Strom erzeugt.

Stromerzeugung

Das Wasser strömt mit hoher

Wasser strömt durch die

Druckrohrleitung zur Turbine.

Generator wandelt

die Rotation

der Turbine in

Strom um.

MASCHINENHAUS

TRAFO

Strom-

kabel

DRUCKROHR

SCHÜTZ

ENERGIETECHNIK

Wasserkraft und Geothermie

GEFAHREN BEI BOHRUNGEN

Beim Enhanced Geothermal-System (EGS) wird Wasser

unter hohem Druck in das Gestein injiziert, um Klüfte

und Risse zu erweitern, sodass es leichter durch größere

Gebiete zirkulieren und mehr Wärme aufnehmen kann.

Es gibt Hinweise, dass diese hydraulische Stimulation

unbeabsichtigte seismische Aktivität auslösen kann.

2006 wurde eine Geothermieanlage in Basel (Schweiz)

für ein Erdbeben der Stärke 3,4 verantwortlich gemacht.

Elf Jahre später verletzte ein Beben der Stärke 5,4 in

Pohang (Südkorea) 82 Menschen. Unter Verdacht steht

eine Geothermieanlage.

DER ITAIPU­DAMM AN DER

GRENZE PARAGUAYS UND

BRASILIENS LIEFERT 76 %

DES STROMS PARAGUAYS.

Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke

Um kontinuierlich Strom zu erzeugen, ist ein stetiger starker

Wasserstrom nötig, etwa bei Laufwasserkraftwerken an Flüssen.

Andere Anlagen, die Pumpspeicherkraftwerke, pumpen in ver-

brauchsarmen Zeiten Wasser mit überschüssigem Strom vom

Unterlauf zurück in den Stausee, um Energie zu speichern.

Hochspannung wird vom

Kraftwerk mit Freileitungen

ins Netz übertragen.

28 29

Erdwärme oder Geothermie

Die Wärme des heißen Grundgesteins ist

verschieden nutzbar. Man kann heißes Grund-

wasser direkt anzapfen oder man pumpt

Wasser durch Geothermiegebiete. Das heiße

Wasser kann dann Strom erzeugen. Die

Geothermie erzeugt nur einen Bruchteil der

Emissionen eines Kohlekraftwerks.

Transformator

Wärmetauscher

Pumpe

Generator

Turbine

Kühlturm

1

hohem Druck durch eine Injektions-

bohrung in ein heißes geothermales

Reservoir gepumpt, das in Tiefen

von über 2000 m liegen kann.

Injektion von Kaltwasser

Kaltes Wasser wird mit

Aufstieg des Heißwassers

Das Wasser fließt durch

Klüfte im Gestein und wird auf weit

über 100 °C erhitzt, bevor es durch

Produktionsbohrungen wieder zur

Oberfläche steigt.

2

3

heiße Wasser Energie an einen

zweiten Kreislauf von Wasser oder

einer anderen Flüssigkeit ab, die als

Dampf bzw. Gas eine Turbine treibt.

Wärmetauscher

Im Wärmetauscher gibt das

4

STROMNETZ

Generator, der Elektrizität erzeugt.

Der Dampf strömt weiter zu einem

Kühlturm oder anderen Kühlsystem,

wo er wieder zur Flüssigkeit kon-

densiert, die zum Wärmetauscher

zurückströmt.

Stromerzeugung

Die Turbine treibt einen

ISOLIERENDE SEDIMENTGESTEINE

UNTER-

WASSER

Stromnetz

Ein Transformator erhöht die Spannung

auf die Hochspannung des Stromnetzes, um

Übertragungsverluste zu verringern. Der Strom

wird in das örtliche oder regionale Netz ein-

gespeist, das die Verbraucher versorgt.

3

HEISSER GRANIT

PRODUKTIONSBOHRUNG

INJEKTIONSBOHRUNG

SONNENLICHT

Glas

N-SCHICHT

P-N-ÜBERGANG

P-SCHICHT

Freie Elektronen

in der n-dotierten

Siliziumschicht

und positiv

geladene Löcher

in der p-Schicht

wandern zur

Übergangsschicht.

Elektronen wandern als

Strom durch den Stromkreis

von der n- zur p-Schicht.

Sonnenlicht setzt Elektronen

in der n-Schicht frei.

Antireflexbeschichtung

Leiter

Transparenter Klebstoff

1

winzigen Energiepaketen, den

Photonen. Wenn Photonen auf

das Solarmodul treffen, das aus

Dutzenden einzelner fotovoltaischer

Zellen (»Solarzellen«) besteht, über-

tragen sie Energie auf Elektronen,

die dann als Strom fließen.

Nutzung der Sonne

Sonnenlicht besteht aus

Freileitungen

verbinden Kraftwerke mit

Verbrauchern.

INVERTER

2

Wechselstrom

Ein Inverter wandelt den

Sonnen- oder Solarenergie

Die Energie des Sonnenlichts ist auf

verschiedene Weise nutzbar. Sonnen-

kollektoren erwärmen Wasser in