Nutzung kleiner Wasserkraftpotenziale in Vergangenheit und Zukunft

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1 Nutzung kleiner Wasserkraftpotenziale in Vergangenheit und Zukunft Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen 15. Mai

2 Einführung Das Prinzip aller Dinge ist Wasser; aus Wasser ist alles, und ins Wasser kehrt alles zurück. Thales von Milet (um v. Chr.), griechischer Philosoph und Mathematiker, einer der Sieben Weisen 15. Mai

3 Inhalt Einführung Wasserkraftnutzung in der Vergangenheit Wasserkraftnutzung in der Gegenwart Ökologie und kleine Wasserkraft Perspektiven der Wasserkraftnutzung Vor- und Nachteile der Wasserkraftnutzung Zusammenfassung 15. Mai

4 Einführung Wasserkraft = Sonnenenergie! 15. Mai

5 Einführung Potentielle Energie (Erdanziehungskraft) Kinetische Energie (Fließgeschwindigkeit) Wikipedia: Meyers Konversations-Lexikon 1888, 4.Auflage => Wasserkraft (fallender Regentropfen = Energie) 15. Mai

6 Einführung Elektrischer Wirkungsgrad wichtiger Kraftwerksarten Quellen: Heuck, Dettmann und Schulz (2010): Elektrische Energieversorgung, S.750 (Oben) (unten links) 15. Mai

7 Wasserkraftnutzung in der Vergangenheit 5. Jht. v. Chr.: erste Schöpfräder in Mesopotamien 3. Jht. v. Chr.: erste Räder zum Mahlen in China u. Asien 3. Jhd. v. Chr.: Entwicklung der Archimedischen Schraube; Archimedes (links) Prinzip der Archimedischen Schraube Quelle: Unterschlächtiges Wasserrad nach Vitruv Quelle: v. König, Bau von Wasserkraftanlagen 3. Jhd. v. Chr.: Wassergetriebenes Schöpfwerk; Philon von Byzanz 20 v. Chr.: Mühlenantrieb unterschlächtig (rechts); Marcus Vitruvius Pollio (Vitruv) 15. Mai

8 Wasserkraftnutzung in der Vergangenheit 6. Jhd. n. Chr.: als Folge der Belagerung Roms Bau von Schiffsmühlen (links) ab 9 Jhd.: erste Mühlenbauten in Mitteleuropa 10./11. Jhd.: Oberschlächtige Wasserräder mit Daumenwelle (Erstmals ließ sich die Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung umwandlen) (rechts) Zeichnung einer gebräuchlichen Schiffmühle Quelle: J. G. Krünitz, Oeconimisch-techn. Enzyklopädiee Pochwerk-Motiv aus Agricola Quelle: Foto Werner Störk 2003 Sammlung AG MINIFOSSI Mai

9 Wasserkraftnutzung in der Vergangenheit 16. Jhd.: gegenläufige Wasserräder zum Auspumpen von Stollen/Schächten im Bergbau (Saugheber); Georg Agricola Umsteuerbares oberschlächtiges Wasserrad Quelle: v. König, Bau von Wasserkraftanlagen Ein Pumpwerk für größere Tiefen Quelle: Mai

10 Wasserkraftnutzung in der Vergangenheit 16. Jhd. (Ende): Löffelräder (Vorentwicklung der Turbinen) (links) : Erstes Großwasserkraftwerk Marly für die Wasserspiele im Schlosspark von Versailles an der Seine (13 Wasserräder von je 4,5 KW und 12 m Durchmesser) (rechts) Frühester Entwurf von Giovanni Branca Quelle: man/page0450.htm Großwasserkraftwerk Marly Quelle: v. König, Bau von Wasserkraftanlagen 15. Mai

11 Wasserkraftnutzung in der Vergangenheit ab 1825: erste Turbinen Fourneyron-Turbine um 1842 Greylin-Jonval Axialturbine um 1850 (Erster brauchbarer Vorläufer der Francis-Turbine) Quelle: v. König, Bau von Wasserkraftanlagen Durch hydraulische Versuche und Optimierungen von Form und Anzahl der Schaufeln stiegen die Leistungen bis 1903 sprunghaft in die Höhe. 15. Mai

12 Wasserkraftnutzung in der Vergangenheit bis vor etwa 100 Jahren spielten Wasserkraftwerke bei der Elektrifizierung eine große Rolle (in Süddeutschland, wo keine Kohle gefördert wurde trug sie mit etwa 70% zur Stromerzeugung bei) durch die Konkurrenz billiger fossiler Energien wurden dann jedoch bis in die 1980er Jahre Kleinwasserkraftanlagen in Deutschland stillgelegt (die großen Wasserkraftwerke blieben weiter in Betrieb) ab 1990 begann jedoch wieder eine (kleine) Trendwende bei den Kleinwasserkraftanlagen durch Förderprogramme und eine höhere Vergütung des eingespeisten Stroms Reaktivierung von Wasserkraftwerken! 15. Mai

13 Wasserkraftnutzung in der Gegenwart Wasserkraft zählt heute zu den bedeutendsten regenerativen Energiequellen! Anteil an der Gesamtstromerzeugung (BDEW 2013): 3,2% Anteil der Wasserkraft an der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (BDEW 2013): etwa 13% Weltweit liegt der Anteil bei etwa 16% Weltmeister in Sachen Stromgewinnung aus Wasserkraft sind Länder wie Norwegen (99% des Gesamtstrombedarfs), Brasilien (83%) und Österreich (70%). Quelle: Mai

14 Wasserkraftnutzung in der Gegenwart Wasserkraft erzeugt nahezu keine CO2-Emissionen Quelle: Mai

15 Wasserkraftnutzung in der Gegenwart Ende 2006 in Deutschland in Betrieb: rund Kleinwasserkraftanlagen (< 1 MW) produzieren etwa 8 10 % des Wasserkraftstroms etwa 350 mittlere und große Anlagen die installierte Gesamtleistung liegt bei rund 4700 Megawatt. Quelle: Heimerl, S.; Giesecke, J.: Wasserkraftanteil an der elektrischen Stromerzeugung in Deutschland In Wasserwirtschaft 94 (2004), Heft 10, S Mai

16 Ökologie vs. Wirtschaftlichkeit Die ökologischen Auswirkungen der Kleinwasserkraftanlagen beziehen sich weitestgehend auf eine Unterbrechung des Flusskontinuums Verhinderung der stromaufwärts gerichteten Wanderungen von Fischen und Wirbellosen Gefährdung der stromabwärts gerichteten Wanderungen durch bestimmte Anlagenteile, wie z.b. Rechen oder Turbine. 15. Mai

17 Ökologie vs. Wirtschaftlichkeit Bestehende Wasserkraftwerke stellen kostengünstige Möglichkeiten der Stromerzeugung dar bei Neuanlagen erhöhen die relativ hohen Investitionskosten und lange Amortisationszeiten die Stromproduktion Der erzeugte Strom aus kleinen Wasserkraftanlagen kann auf drei verschiedene Arten verwendet werden. Dies gilt es bei der Betrachtung der Erlöse zu berücksichtigen. Verwendung des erzeugten Stromes: vollständige Einspeisung vollständiger Eigenverbrauch teilweise Einspeisung Betrachtung der Erlöse: Berechnung des Erlöses mittels Ansatz des Abnahmepreises nach EEG Ansatz des Endverbrauchertarifs gemischter Ansatz aus Einspeisevergütung und Endabnehmerpreis 15. Mai

18 Ökologie vs. Wirtschaftlichkeit Mögliche Ausgleichsmaßnahmen: Anordnung von Fischauf- und - abstiegsanlagen geringe Rechenstababstände, Einbeziehung der Auengebiete in den Stauraum variable, natürliche Ufergestaltung des Stauraumes Schaffung von Flachwasserzonen, Mindestwasserführung im Hauptquerschnitt Durchgängigkeit für Geschiebe und Sohlbewohner Fischaufstiegsanlage an der Wehranlage Lenne 1, Foto: Märkischer Kreis 15. Mai

19 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Synergien und Mehrzweckanlagen Turbineninstallation in Trinkwasserversorgungssystemen im Hochdruckbereich Kraftwerksanlagen in Bewässerungs- und Abwasserkanalsystemen Turbineninstallation in Kühlwasserkreislaufsystemen Errichtung von Erholungsgebieten in Rückstaubereichen Lebensraumschaffung in Rückstaubereichen Entstehung von Schutzgebieten Verbesserung des Hochwasserschutzes Stabilisierung des Grundwasserspiegels Technische Kulturdenkmäler Vorteile: Teilung der Kosten, des Risikos und der Verantwortung ein integrales Konzept erreicht leichter eine hohe Akzeptanz 15. Mai

20 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Technische Kulturdenkmäler Wahrung der heimischen Wirtschaftsgeschichte, wichtige Erkenntnisse über die Landes-, Kultur-, Sozial- und Wirtschaftsgeschichte einer Region Teil der Handwerks-, Gewerbe-, Energieund Kulturgeschichte, z.b. Wassermühlen, Hammerwerke (> technische Kulturdenkmäler) Mögliche Nutzungen: - Energiegewinnung, Reaktivierung - Museums-Nutzung - Umnutzung (u.a. Wohnen) - touristische Nutzung (z.b. Gaststätte) - Nenkersdorfer Mühle in Netphen-Nenkersdorf ( 15. Mai

21 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Quelle: Bezirksregierung Arnsberg Mai

22 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Quelle: Bezirksregierung Arnsberg Mai

23 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Quelle: Bezirksregierung Arnsberg Mai

24 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Technische Konzepte für die Nutzung kleiner Wasserkraftpotentiale Dreieck-Zellensegment Wasserrad 15. Mai

25 Perspektiven der Wasserkraftnutzung StEwaKorad (Stilller Energiewandler Kompaktwasserrad) 15. Mai

26 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Technische Konzepte für die Nutzung kleiner Wasserkraftpotentiale Kleine Speicher, z.b. das geplante PSW Blautal Quelle: Leistung: Speicherkapazität: Fallhöhe: kw Kilowattstunden pro Tag 162 Meter Beckenvolumen: 1,2 Mio. m³ Wirkungsgrad: 80% 15. Mai

27 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Reaktivierung, Modernisierung und Erweiterung Konzepte zur Nutzung noch bestehender Wasserkraftpotenziale: Reaktivierung alter, früher stillgelegter Standorte Modernisierung vorhandener Turbinen in bestehenden Kraftwerken Zusätzlich neue Turbinen in bestehenden Kraftwerken Ziele: Leistungssteigerung und Verbesserung der gewässerökologischen Situation Möglichkeiten zur Vergrößerung des nutzbaren Wasserkraftpotenzials Vergrößerung der Fallhöhe durch Erhöhung des Ober- oder Absenkung des Unterwasserspiegels Erhöhung der Wassermenge für den Turbinenbetrieb Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades 15. Mai

28 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Energie aus dem Meer im Gegensatz zur Wasserkraftnutzung auf dem Festland befindet sich die Nutzung der Meeresenergie noch im Anfangsstadium, obgleich das globale Potenzial, aus Gezeiten-, Strömungs- und Wellen Energie zu gewinnen, sehr groß ist. Energie aus Abwasser, Regenwasser und Trinkwasser neben dem "natürlichen" Wasserkraftpotenzial besteht jedoch auch ein "künstliches" Wasserkraftpotenzial, wie z.b. in Kläranlagenausläufen, Abwasser- und Regenwasserleitungen oder im Netz der Wasserversorgung. 15. Mai

29 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Vorteile fast unendliches Energiepotential keinerlei Schadstoffausstoß (CO 2 -Minderung) große Energieeffizienz wirtschaftlicher Energiespeicher (z.b. Pumpspeicherkraftwerke) einfach regulierbare Stromerzeugung (z.b. Stauseen) keine Gewässerverunreinigungen oder thermische Veränderungen einfache Konstruktion und lange Lebensdauer bei kleinen Wasserkraftanlagen große Versorgungssicherheit und geringere Verteilungskosten Wasserkraftgewinnung aus Abwasser, Regenwasser, Meeres- und Gezeitenströmungen, Wellen.. Forschungsbedarf!! 15. Mai

30 Perspektiven der Wasserkraftnutzung Nachteile je größer die Wasserkraftanlage ist, desto tiefer wird in die Natur eingegriffen (Natur- schutz, Ökologie) sehr starker Standortbezug derzeit nur an Flüssen und Gewässern wirtschaftlich nutzbar derzeit keine Potenziale wirtschaftlich nutzbar. Forschungsbedarf!!!! 15. Mai

31 Zusammenfassung die Versorgung mit Energie ist langfristig nur dann zukunftsfähig, wenn sie (überwiegend) auf erneuerbaren Energien beruht! um die Energieversorgung auf erneuerbare Energien umzustellen, sollten alle Wasserkraftpotenziale, die ökologisch vertretbar sind, erschlossen werden! in den Mittelgebirgsregionen besteht ein Ausbaupotenzial durch die Modernisierung und Reaktivierung bestehender Anlagen, die aufgrund des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) wieder wirtschaftlich tragfähig werden könnten! die Wasserkraftnutzung erfordert dabei die Abwägung einander widersprechender Zielsetzungen (Ökologie, Natur- und Umweltschutz)! 15. Mai

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen Mai