Generatoren in Kraftwerken wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um, dadurch wird eine sichere Versorgung mit elektrischem Strom möglich.
Deutschland hat einen sehr hohen Bedarf an elektrischer Energie, aktuell werden im Inland jährlich rund 1850 Petajoule (PJ) benötigt, das sind mehr als 500 Milliarden Kilowattstunden (kWh). Genutzt wird diese elektrische Energie zu mehr als 40 % in der Industrie, weitere knapp 30 % werden im Bereich Handel, Gewerbe und Verkehr, öffentliche Einrichtungen und Landwirtschaft benötigt sowie knapp 30 % in Haushalten. Elektrische Energie wird durch Umwandlung anderer Energieformen in Kraftwerken und sonstigen Energieanlagen verfügbar. Die großen Kraftwerke werden von den Energieversorgungsunternehmen betrieben. Übertragen und verteilt wird die elektrische Energie über Freileitungen und Kabel, die zusammen mit den sonstigen erforderlichen technischen Anlagen ein Verbundnetz bilden. Da in Kraftwerken sehr viel Wärme entsteht, kann diese neben der elektrischen Energie für ein Fernwärmenetz oder für industrielle Prozesse genutzt werden.
Kraftwerke sind große technische Anlagen, die eigens zur Abgabe elektrischer Energie oder als Heizkraftwerk errichtet wurden. Je nach Konstruktion wird meistens in den Kraftwerken zunächst Kohle, Gas oder Öl verbrannt, um mit der dadurch entstehenden Wärme Wasserdampf zu erzeugen. Der Wasserdampf treibt eine Dampfturbine an. Die von der Turbine erzeugte Drehbewegung wird auf einen Generator übertragen. Der Generator wandelt diese Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Es entsteht eine nutzbare elektrische Spannung an den Ausgangsklemmen des Generators. Alternativ kann die nötige Wärme zur Erzeugung des Wasserdampfs auch durch kontrollierte Uran-Kernspaltung in einem Kernkraftwerk gewonnen werden. Ergänzend zu den Dampfkraftwerken werden andere Kraftwerke mit Gasturbinen betrieben, in denen unter Luftzufuhr bei hohem Druck Gas verbrannt wird, um mit dem gasförmigen Verbrennungsprodukt eine Turbine anzutreiben, die wiederum die Drehbewegung für den Generator erzeugt. Ferner kann in Wasserkraftwerken die Fließgeschwindigkeit des Wassers über Wasserturbinen zum Antrieb von Generatoren genutzt werden.
Vorwiegend dezentral werden Windenergieanlagen errichtet, in denen die Windkraft über Rotoren zum Antrieb von Generatoren dient. Ebenfalls vorwiegend dezentral werden Biogasanlagen betrieben, in denen aus Energiepflanzen oder aus Bio-Abfall Gas erzeugt wird, das in einem Motor oder in einer Turbine als Kraftstoff genutzt wird. Über die dabei entstehende Drehbewegung wird ein Generator angetrieben, der die elektrische Spannung bereitstellt. Ohne Generator arbeiten Photovoltaikanlagen, in denen die Sonneneinstrahlung über geeignete Module direkt zum Aufbau elektrischer Spannung genutzt wird.
Generatoren nutzen das elektrodynamische Prinzip
Generatoren sind Maschinen, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die mechanische Energie wird dem Generator in Form der Drehbewegung der Welle der Antriebsmaschine zugeführt. Sowohl im drehbaren Teil als auch im feststehenden Teil des Generators sind elektrisch wirksame Teile montiert. Der drehbare Teil des Generators wird als Läufer oder Rotor, der ruhende Teil als Ständer oder Stator bezeichnet.
Für die Erzeugung der elektrischen Spannung wird der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus genutzt. Wird ein elektrisch leitfähiges Teil wie im einfachsten Fall ein Kupferdraht in einem konstanten Magnetfeld bewegt, dann entsteht zwischen den Enden des bewegten leitfähigen Teils eine elektrische Spannung. Dieser Effekt wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet. Die Induktion tritt ebenfalls auf, wenn sich das Magnetfeld bewegt und der elektrische Leiter in Ruhe bleibt, entscheidend ist jeweils die in dem Leiter entstehende Änderung des magnetischen Flusses. Das Magnetfeld wird im einfachsten Fall durch einen Dauermagneten gebildet, wie in einem hergebrachten Fahrraddynamo. In größeren technischen Anwendungen wird das Magnetfeld durch einen Elektromagneten entweder im Rotor oder im Stator erzeugt. Die entstehende Spannung kann am Generator abgegriffen und extern genutzt werden, beim Fahrraddynamo für die Beleuchtung. Generatoren in Kraftwerken und in Windenergieanlagen erzeugen das nötige Magnetfeld elektromagnetisch, vorwiegend im Rotor.
Der als Rotor ausgeführte Elektromagnet besteht im Grundsatz aus einem Weicheisenkern mit einer Anzahl von Kupferdrahtwindungen auf einer Welle, die von einer Turbine oder einem Motor angetrieben wird. Der Stator umschließt den Rotor ringförmig. Er besteht neben den Befestigungselementen und der Kühlung aus einer in Nuten eingelegten Anzahl von Windungen eines Kupferdrahtes. In der Anlaufphase eines Generators kann bei kleinen Generatoren der im Weicheisenkern des Rotors vorhandene Restmagnetismus genutzt werden, um als Folge der Rotordrehung am Stator eine geringe Spannung zu erzeugen, die für einen Stromfluss durch die Rotorwindungen genutzt wird und dort das Magnetfeld verstärkt. Das infolge des ansteigenden Stromflusses stärker werdende Magnetfeld bewirkt eine höhere Spannung am Stator, die wiederum einen noch höheren Stromfluss in den zugeschalteten Rotorwindungen und damit ein noch stärkeres Magnetfeld erzeugt. Dieser Effekt wird als „Selbsterregung“ bezeichnet. Ist der Höchstwert für das Magnetfeld erreicht, wird dieses durch die Rotordrehung aufrechterhalten, zugleich steht am Stator die extern nutzbare Spannung an. Bei konstanter Drehzahl des Rotors steht im Ergebnis eine verlässliche Spannung zur Verfügung. Diese Wirkungsweise eines Generators wird als elektrodynamisches Prinzip bezeichnet, das bereits im 19. Jahrhundert von verschiedenen Forschern erkannt wurde. In Deutschland wurde das elektrodynamische Prinzip 1867 erstmalig von dem Forscher Werner von Siemens beschrieben. In den großen Generatoren in Kraftwerken erfolgt allerdings keine „Selbsterregung“, sondern es ist zur Erregung des nötigen Magnetfeldes die „Fremderregung“ durch eine externe Stromquelle als Erregermaschine üblich.
Anteile der Energieträger am Jahresbruttovolumen der elektrischen Energie
Elektrische Energie wird in Deutschland zu gut 95 % über Generatoren bereitgestellt, Photovoltaik-Anlagen nehmen lediglich einen Anteil von weniger als 5 % am Bruttovolumen der elektrischen Energie ein. Aufgeteilt nach Energieträgern, die jeweils am Anfang der notwendigen Umwandlungsprozesse zur elektrischen Energie stehen, zeigt sich für 2012, dass Braunkohle und Steinkohle mit zusammen rund 45 % in Deutschland dominieren, gefolgt von der Kernenergie mit gut 16 %. Auf Gas und Öl entfallen zusammen knapp 13 %. Windkraft ist mit gut 7 % beteiligt, Biomasse mit knapp 6 % und Wasserkraft mit gut 4 %, Sonnenstrahlung knapp 5 %, sonstige Energieträger wie Müll steuern den Rest bei.