Von Turbinen und Generatoren
Was man von einem Kraftwerk sieht, ist meistens die Zentrale, auch Maschinenhaus genannt. Sie beherbergt die Turbine und den Generator. Turbinen sind die Nachfolger der Wasser- und Windräder. Diese standen an einem Bach oder auf einem Hügel, drehten sich und trieben zum Beispiel einen Mühlstein an. Sie wandelten die Bewegungsenergie in eine Drehung um. Darum auch der Name: Das lateinische «turbare» bedeutet «drehen». Turbinen in einem Speicherkraftwerk müssen freilich ganz andere Kräfte aushalten. Wie wir bereits erfahren haben, treffen mehrere tausend Liter Wasser in der Sekunde mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf die Schaufeln.
Ingenieure haben für jede Situation die effizientesten Schaufelräder konstruiert. Schon 1879 entwickelte der US-amerikanische Ingenieur Lester Pelton eine Turbine mit Schaufeln, die an zwei flache Schalen erinnern. Die Pelton-Turbine eignet sich für sehr grosse Fallhöhen bis 2’000 Meter. Weitere bekannte Turbinentypen sind je nach Wasserdruck die Francis- und die Kaplan-Turbine.
Die Wahl des optimalen Turbinentyps ist wichtig, damit die Kraft des Wassers möglichst effizient in eine Drehung umgewandelt werden kann. Diese Drehung wiederum wird durch eine Welle auf eine andere Maschine übertragen: den Generator. Das lateinische «generare» bedeutet «erzeugen». Was ein Generator erzeugt, ist elektrischer Strom. Und dies auf die gleiche Weise wie ein Elektromotor – nur in umgekehrter Richtung. Während ein Elektromotor durch elektrische Energie Bewegung erzeugt, wandelt ein Generator Bewegung in elektrische Energie um.
Auch im Generator steckt eine Magnetspule, die durch das Wasser, das auf die Turbine fällt, permanent rotiert und damit geladene Teilchen in Metallkabeln bewegt. Natürlich beherbergt das Maschinenhaus noch eine Menge mehr als Turbinen und Generatoren, damit der produzierte Strom transportiert werden kann und in einer Küche im Tal die Deckenlampe zum Leuchten bringt oder den Elektromotor im Staubsauger antreibt.
Ein Motor in zwei Richtungen
Weil ein Elektromotor im Prinzip genauso aufgebaut ist wie ein Generator, kann bei vielen Anwendungen dieselbe Maschine mal als Generator, mal als Motor verwendet werden. Diese Umkehrbarkeit nutzen auch Pumpspeicher-Kraftwerke, wie der Name schon sagt: In Zeiten schwachen Verbrauchs wird zu viel produzierter Strom eingesetzt, um Wasser wieder nach oben zu pumpen. Die Turbinensätze, die im Generatorbetrieb der Stromerzeugung dienen, pumpen nun im Motorbetrieb das Wasser hoch in den Speichersee. Auch ausserhalb von Kraftwerken ist das Prinzip von Nutzen: Bei Elektroautos und elektrischen Zügen werden die Fahrmotoren auf Generatorbetrieb umgestellt, um Bremsvorgänge mit Energiegewinnung zu verbinden. Die Fahrmotoren treiben dann nicht mehr an, sondern werden von der Bewegungsenergie des Fahrzeugs angetrieben. Die Folge ist eine Bremswirkung. Der beim Bremsen erzeugte Strom wird wiederum in die Batterie oder in die Fahrleitung zurückgespeist.
Strom ist nicht immer gleich Strom
In Europa gilt seit 1987: Der Strom aus der Steckdose ist ein Wechselstrom. Er weist eine Spannung von 230 Volt und eine Frequenz von 50Hz auf. Damit werden Staubsauger, Computer, Kühlschrank und weitere Elektrogeräte betrieben. Wechselstrom bedeutet, dass die Ladungsträger im Leiter, also zum Beispiel einem Kupferdraht, sich hin und her bewegen. Die Frequenz kann aber auch eine andere sein, zum Beispiel bei der Eisenbahn. Die Rhätische Bahn benötigt Wechselstrom mit der Frequenz 16 2/3 Hz. Sogenannte Frequenzumrichter dienen dazu, die Frequenzen zu ändern.
In Europa gilt seit 1987: Der Strom aus der Steckdose ist ein Wechselstrom. Er weist eine Spannung von 230 Volt und eine Frequenz von 50Hz auf. Damit werden Staubsauger, Computer, Kühlschrank und weitere Elektrogeräte betrieben. Wechselstrom bedeutet, dass die Ladungsträger im Leiter, also zum Beispiel einem Kupferdraht, sich hin und her bewegen. Die Frequenz kann aber auch eine andere sein, zum Beispiel bei der Eisenbahn. Die Rhätische Bahn benötigt Wechselstrom mit der Frequenz 16 2/3 Hz. Sogenannte Frequenzumrichter dienen dazu, die Frequenzen zu ändern.
Aber es gibt nicht nur Wechselstrom. Beim Gleichstrom bewegen sich alle Elektronen fortwährend in nur in eine Richtung. Handys und Laptops funktionieren auf diese Weise. Deshalb braucht man beim Laden aus der Steckdose auch ein zusätzliches Netzteil, das die Umwandlung vornimmt. Solarzellen und Windturbinen produzieren übrigens Gleichstrom. Damit dieser in das Netz eingespeist werden kann, sind sogenannte Wechselrichter nötig.
Weiter gibt es noch Drehstrom. Das ist ein Wechselstrom, allerdings mit drei statt nur zwei Phasen. Drehstrom eignet sich für Anwendungen, bei denen grössere Leistungen erfordert werden, zum Beispiel beim Kochherd oder beim Elektroauto.
