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Erklärer: Was ist Elektrizität?

 

Was ist Strom?

Strom ist eine Energieform. Elektrizität ist der Elektronenfluss. Alle Materie besteht aus Atomen, und ein Atom hat ein Zentrum, das als Kern bezeichnet wird. Der Kern enthält positiv geladene Teilchen, die Protonen genannt werden, und ungeladene Teilchen, die Neutronen genannt werden. Der Kern eines Atoms ist von negativ geladenen Teilchen umgeben, die Elektronen genannt werden. Die negative Ladung eines Elektrons ist gleich der positiven Ladung eines Protons, und die Anzahl der Elektronen in einem Atom ist normalerweise gleich der Anzahl der Protonen. Wenn die Ausgleichskraft zwischen Protonen und Elektronen durch eine äußere Kraft gestört wird, kann ein Atom ein Elektron gewinnen oder verlieren. Wenn Elektronen von einem Atom „verloren“ gehen, bildet die freie Bewegung dieser Elektronen einen elektrischen Strom.

Strom ist ein grundlegender Bestandteil der Natur und eine unserer am weitesten verbreiteten Energieformen. Wir erhalten Strom, der eine sekundäre Energiequelle ist, aus der Umwandlung anderer Energiequellen wie Kohle, Erdgas, Öl, Atomkraft und anderer natürlicher Quellen, die als primäre Energiequellen bezeichnet werden. Viele Städte wurden neben Wasserfällen (einer primären mechanischen Energiequelle) gebaut, die Wasserräder drehten, um Arbeiten auszuführen. Bevor die Stromerzeugung vor etwas mehr als 100 Jahren begann, wurden Häuser mit Petroleumlampen beleuchtet, Lebensmittel in Kühlboxen gekühlt und Räume mit Holz- oder Kohleöfen erwärmt. Beginnend mit  Benjamin Franklins  Experiment mit einem Drachen in einer stürmischen Nacht in Philadelphia wurden die Prinzipien der Elektrizität allmählich verstanden. Mitte des 19. Jahrhunderts veränderte sich mit der Erfindung der elektrischen Glühbirne das Leben aller  . Vor 1879 wurde Elektrizität in Bogenlichtern für die Außenbeleuchtung verwendet. Die Erfindung der Glühbirne verwendete Elektrizität, um Innenbeleuchtung in unsere Häuser zu bringen.

 

Wie wird ein Transformator verwendet?

Um das Problem des Stromversands über große Entfernungen zu lösen, entwickelte  George Westinghouse  ein Gerät namens Transformator. Mit dem Transformator konnte Strom effizient über große Entfernungen übertragen werden. Dies ermöglichte die Stromversorgung von Haushalten und Unternehmen, die weit entfernt vom Stromerzeugungswerk liegen.

Trotz seiner großen Bedeutung für unser tägliches Leben denken die meisten von uns selten darüber nach, wie ein Leben ohne Elektrizität aussehen würde. Doch wie Luft und Wasser neigen wir dazu, Elektrizität als selbstverständlich zu betrachten. Jeden Tag nutzen wir Elektrizität, um viele Funktionen für uns zu erledigen – von der Beleuchtung und Heizung / Kühlung unserer Häuser bis hin zur Stromquelle für Fernseher und Computer. Elektrizität ist eine steuerbare und bequeme Energieform, die bei der Anwendung von Wärme, Licht und Strom verwendet wird.

Heute ist die Elektrizitätsindustrie der Vereinigten Staaten (USA) eingerichtet, um sicherzustellen, dass jederzeit eine ausreichende Stromversorgung zur Verfügung steht, um alle Nachfrageanforderungen zu erfüllen.

 

Wie wird Strom erzeugt?

Ein elektrischer Generator ist ein Gerät zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Der Prozess basiert auf der Beziehung zwischen Magnetismus und Elektrizität. Wenn sich ein Draht oder ein anderes elektrisch leitendes Material über ein Magnetfeld bewegt, tritt im Draht ein elektrischer Strom auf. Die großen Generatoren der Elektrizitätswirtschaft haben einen stationären Leiter. Ein am Ende einer rotierenden Welle angebrachter Magnet befindet sich in einem stationären leitenden Ring, der mit einem langen, durchgehenden Drahtstück umwickelt ist. Wenn sich der Magnet dreht, induziert er beim Durchgang in jedem Drahtabschnitt einen kleinen elektrischen Strom. Jeder Drahtabschnitt bildet einen kleinen, separaten elektrischen Leiter. Alle kleinen Ströme einzelner Abschnitte summieren sich zu einem Strom von beträchtlicher Größe. Dieser Strom wird für elektrische Energie verwendet.

 

Wie werden Turbinen zur Stromerzeugung eingesetzt?

Ein Elektrizitätswerk verwendet entweder eine Turbine, einen Motor, ein Wasserrad oder eine ähnliche Maschine, um einen elektrischen Generator oder ein Gerät anzutreiben, das mechanische oder chemische Energie in Elektrizität umwandelt. Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren, Gasverbrennungsturbinen, Wasserturbinen und Windturbinen sind die gebräuchlichsten Methoden zur Stromerzeugung.

Der größte Teil des Stroms in den USA wird in  Dampfturbinen erzeugt. Eine Turbine wandelt die kinetische Energie eines sich bewegenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in mechanische Energie um. Dampfturbinen haben eine Reihe von Schaufeln, die auf einer Welle montiert sind, gegen die Dampf gedrückt wird, wodurch die mit dem Generator verbundene Welle gedreht wird. In einer mit fossilen Brennstoffen betriebenen Dampfturbine wird der Brennstoff in einem Ofen verbrannt, um Wasser in einem Kessel zu erhitzen und Dampf zu erzeugen.

Kohle, Erdöl (Erdöl) und Erdgas werden in großen Öfen verbrannt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der wiederum auf die Schaufeln einer Turbine drückt. Wussten Sie, dass Kohle die größte primäre Primärenergiequelle zur Stromerzeugung in den USA ist? 1998 verwendete mehr als die Hälfte (52%) der 3,62 Billionen Kilowattstunden Strom des Landkreises Kohle als Energiequelle.

Erdgas wird nicht nur verbrannt, um Wasser für Dampf zu erhitzen, sondern kann auch verbrannt werden, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die direkt durch eine Turbine strömen und die Schaufeln der Turbine drehen, um Elektrizität zu erzeugen. Gasturbinen werden üblicherweise eingesetzt, wenn der Stromverbrauch stark nachgefragt wird. 1998 wurden 15% des Stroms des Landes mit Erdgas betrieben.

Erdöl kann auch verwendet werden, um Dampf zum Drehen einer Turbine zu erzeugen. Restbrennöl, ein aus Rohöl raffiniertes Produkt, ist häufig das Erdölprodukt, das in Elektrizitätswerken verwendet wird, die Erdöl zur Dampfherstellung verwenden. Mit Erdöl wurden 1998 weniger als drei Prozent (3%) des gesamten in US-amerikanischen Elektrizitätswerken erzeugten Stroms erzeugt.

Kernkraft  ist eine Methode, bei der Dampf durch Erhitzen von Wasser durch einen als Kernspaltung bezeichneten Prozess erzeugt wird. In einem Kernkraftwerk enthält ein Reaktor einen Kern aus Kernbrennstoff, hauptsächlich angereichertes Uran. Wenn Atome von Uranbrennstoff von Neutronen getroffen werden, spalten sie sich (spalten sich) und setzen Wärme und mehr Neutronen frei. Unter kontrollierten Bedingungen können diese anderen Neutronen mehr Uranatome treffen, mehr Atome spalten und so weiter. Dadurch kann eine kontinuierliche Spaltung stattfinden, die eine Kettenreaktion bildet, die Wärme freisetzt. Die Wärme wird verwendet, um Wasser in Dampf umzuwandeln, der wiederum eine Turbine dreht, die Strom erzeugt. Mit Atomkraft werden 2015 19,47 Prozent des gesamten Stroms des Landes erzeugt.

Ab 2013 macht Wasserkraft 6,8 Prozent der US-amerikanischen Stromerzeugung aus. Es ist ein Prozess, bei dem fließendes Wasser verwendet wird, um eine an einen Generator angeschlossene Turbine zu drehen. Es gibt hauptsächlich zwei Grundtypen von Wasserkraftsystemen, die Strom erzeugen. Im ersten System sammelt sich fließendes Wasser in Stauseen an, die durch den Einsatz von Dämmen entstehen. Das Wasser fällt durch ein Rohr, das als Druckrohr bezeichnet wird, und übt Druck auf die Turbinenschaufeln aus, um den Generator zur Stromerzeugung anzutreiben. Im zweiten System, das als Flusslauf bezeichnet wird, übt die Kraft des Flussstroms (anstelle von fallendem Wasser) Druck auf die Turbinenschaufeln aus, um Elektrizität zu erzeugen.

 

Andere erzeugende Quellen

Geothermie  kommt von Wärmeenergie, die unter der Erdoberfläche vergraben ist. In einigen Landesteilen fließt Magma (geschmolzene Materie unter der Erdkruste) nahe genug an der Erdoberfläche, um unterirdisches Wasser zu Dampf zu erhitzen, der für den Einsatz in Dampfturbinenanlagen genutzt werden kann. Ab 2013 erzeugt diese Energiequelle weniger als 1% des Stroms im Land, obwohl die US Energy Information Administration nach Einschätzung von neun westlichen Bundesstaaten möglicherweise genug Strom produzieren kann, um 20 Prozent des Energiebedarfs des Landes zu decken.

Sonnenenergie wird aus der Energie der Sonne gewonnen. Die Sonnenenergie steht jedoch nicht in Vollzeit zur Verfügung und ist weit verbreitet. Die Verfahren zur Stromerzeugung mit Sonnenenergie waren in der Vergangenheit teurer als die Verwendung herkömmlicher fossiler Brennstoffe. Die Photovoltaik-Umwandlung erzeugt elektrischen Strom direkt aus dem Sonnenlicht in einer Photovoltaik- (Solar-) Zelle. Solarthermische Stromerzeuger nutzen die Strahlungsenergie der Sonne, um Dampf zum Antrieb von Turbinen zu erzeugen. Im Jahr 2015 wurde weniger als 1% des Stroms des Landes mit Solarenergie versorgt.

Windenergie  wird aus der Umwandlung der im Wind enthaltenen Energie in Elektrizität gewonnen. Windkraft ist wie die Sonne normalerweise eine teure Stromquelle. Im Jahr 2014 wurde es für rund 4,44 Prozent des nationalen Stroms verwendet. Eine Windkraftanlage ähnelt einer typischen Windmühle.

Biomasse (Holz, feste Siedlungsabfälle (Müll) und landwirtschaftliche Abfälle wie Maiskolben und Weizenstroh sind weitere Energiequellen für die Stromerzeugung. Diese Quellen ersetzen fossile Brennstoffe im Kessel. Bei der Verbrennung von Holz und Abfall entsteht Dampf, der Dampf erzeugt wird in der Regel in konventionellen Dampfkraftwerken eingesetzt. Im Jahr 2015 macht Biomasse 1,57 Prozent des in den USA erzeugten Stroms aus.

Der von einem Generator erzeugte Strom gelangt über Kabel zu einem Transformator, der den Strom von Niederspannung in Hochspannung umwandelt. Strom kann mit Hochspannung effizienter über große Entfernungen transportiert werden. Über Übertragungsleitungen wird der Strom zu einem Umspannwerk transportiert. Unterstationen haben Transformatoren, die den Hochspannungsstrom in Niederspannungsstrom umwandeln. Vom Umspannwerk führen Verteilungsleitungen den Strom zu Haushalten, Büros und Fabriken, die Niederspannungsstrom benötigen.

 

Wie wird Strom gemessen?

Die Elektrizität wird in Leistungseinheiten gemessen, die als Watt bezeichnet werden. Es wurde zu Ehren von  James Watt. dem Erfinder der  Dampfmaschine, benannt. Ein Watt ist eine sehr kleine Menge an Leistung. Es würde fast 750 Watt erfordern, um einer Pferdestärke zu entsprechen. Ein Kilowatt entspricht 1.000 Watt. Eine Kilowattstunde (kWh) entspricht der Energie von 1.000 Watt, die eine Stunde lang arbeiten. Die Strommenge, die ein Kraftwerk erzeugt oder die ein Kunde über einen bestimmten Zeitraum verbraucht, wird in Kilowattstunden (kWh) gemessen. Kilowattstunden werden durch Multiplikation der Anzahl der benötigten kW mit der Anzahl der Betriebsstunden bestimmt. Wenn Sie beispielsweise 5 Stunden am Tag eine 40-Watt-Glühbirne verwenden, haben Sie 200 Watt Leistung oder 0,2 Kilowattstunden elektrische Energie verbraucht.

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