Energiegewinnung aus Wasserkraft

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1 Energiegewinnung aus Wasserkraft Möglichkeiten Techniken Entwicklungen Noemi Buch Juli 2003

2 Inhaltsangabe Seite Vorwort 3 Wasserenergie 4 Vom Wasserrad zur Turbine 6 Überdruckturbinen 9 Regelung der Turbinen 9 Die Kaplanturbine 11 Die TAT-Turbine 13 Die Rohrturbine 13 Die STRAFLO-Turbine 14 Die S-Turbine 14 Die Getriebe-Rohrturbine 14 Die Francis-Turbine 15 Die Francis-Schacht-Turbine 17 Die Francis-Spiral-Turbine 17 Die Pelton-Turbine 18 Grundschema einer Wasserkraftanlage 21 Niederdruckanlagen 22 Hochdruckanlagen 24 Das Laufwasserkraftwerk 26 Das Speicherwasserkraftwerk 27 Das Pumpspeicherkraftwerk 28 Gezeitenkraftwerke 33 Wellenkraftwerke 36 Sonderformen der Wasserkraftgewinnung 37 Kraftwerk mit Sandstrand (Island) 37 Dampfturbinen mit Durchlaufwasser 38 Quellenverzeichnis 40 2

3 Vorwort Wasser ist ein Rohstoff der für die Existenz aller Lebewesen auf der Erde unverzichtbar ist. Es ist das wichtigste Lebensmittel der Menschen, Tiere und Pflanzen, und dient uns noch zu weit mehr. Neben dem Gebrauch als Trinkwasser wird es zum Waschen, Spülen, Gießen, Kochen, Schwimmen, Segeln, als Transportweg genutzt und ist gleichzeitig auch Lebensraum (für Fische etc.). Doch dies sind nur die Dinge, bei denen uns das Wasser im täglichen Leben begegnet. Es gibt eine Nutzung des Wassers, die uns nur selten bewußt wird: die Nutzung der Wasserenergie. Wasser, das uns an Bächlein, aus dem Wasserhahn oder als Regen ungefährlich und besiegbar erscheint, hat eine enorme Kraft, die uns an großen Strömen und auf dem Meer überlegen ist. Diese Kraft ist nutzbar und die Menschen haben einen Weg gefunden die darin enthaltene Energie zu gewinnen. Diese Energie des Wassers wird mit Hilfe von Wasserkraftwerken erzeugt und in elektrische Energie umgewandelt und so der Menschheit zur Verfügung gestellt. 3

4 Wasserenergie Wasserenergie ist eine durch Nutzung der Wasserkraft erzeugte elektrische Energie, die in Wasserkraftanlagen mit Hilfe von Wasserturbinen, die wiederum Generatoren antreiben, erzeugt wird. Die Wasserkraft ist als potentielle Energie im Gefälle der Binnengewässer und im Tidehub der Gezeiten und als kinetische Energie in den Strömungen der Meere und Gewässer vorhanden, wobei die Nutzung der potentiellen Energie technisch hochentwickelter und von größerer wirtschaftlischer Bedeutung ist, als die der kinetischen Energie. Die Leistung und das Arbeitsvermögen des Wasserangebots eines bestimmten Gebietes werden als Wasserkraftpotential bezeichnet. Ausschlaggebend für die wirtschaftlische Nutzbarkeit des Wasserkraftpotentials sind unter anderem die geographische Lage, die Entfernung zu den Verbrauchszentren, die gesamtwirtschaftlische sowie politische Situation, der Kapitalmarkt, der Entwicklungsstand der Wasserkrafttechnik und die Mehrzwecknutzung (z.b. Bewässerung, Binnenschiffahrt etc.). Die Nutzung der Wasserkraft liefert heute einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtstromerzeugung. Doch trotz dem die Wasserenergie zu den erneuerbaren Energien gehört und damit unerschöpflich ist (weshalb die Wasserenergie neben Windund Solarenergie zu den Energiearten der Zukunft zählt), und dagegen fossile Energieträger (wie Kohle, Erdöl, etc.) nur begrenzt vorhanden sind, ging der Anteil der Wasserkraft an der Gesamtstromerzeugung in den Jahren vor 1998 zurück. Allerdings wurden in den letzten 5 Jahren eine Steigerungsrate von 5,4 % jährlichem Zuwachses beobachtet. Obwohl eventuelle ökologische Schäden und negative Umwelteinflüsse nicht der Grund für den Rückgang der Wasserenergienutzung vor 1998 war, kann die Nutzung dieser Energie zu einer Bedrohung für die Umwelt werden: durch das Aufstauen der Flüsse für Stauseen können große Teile des natürlichen Ökosystems der alten Flußläufe zerstört werden, da die natürliche Überschwemmung des Flusslaufes (unterhalb des Kraftwerkes) durch ein großes Kraftwerk und seinen 4

5 Stausee verhindert wird. Bei kleinen Wasserkraftwerken jedoch können Umweltschäden besser vermieden werden. In jedem Fall gewinnt die Energierzeugung durch Wasserkraft einen immer höheren Stellenwert, da sie zu den am besten ausschöpfbaren Energien zählt. Die potentielle Wasserenergie (E) hängt in erster Linie von der Fallhöhe und der Menge des Wassers ab. Um die gespeicherte Energie zu berechnen gilt: E = g*m*h (E = Wasserenergie; m = Wassermenge (kg) h = Höhendifferenz; g = Erdbeschleunigung (Fallgeschwindigkeit=9,81m/s)) Mit Hilfe dieser Formel lassen sich mechanische Kraftwerksleistungen theoretisch errechnen und mit elektrischen Kraftwerksleistungen vergleichen, um den Wirkungsgrad der Anlage zu bestimmen. Trotz der im Vergleich zu fossil gefeuerter Wärme oder Kernkraftwerken hohen Investitionskosten (je nach Art und Standort des Kraftwerks) ist die Stromerzeugung der Wasserkraftwerke wirtschaftlich konkurenzfähig, da sie niedrige Betriebskosten und eine lange Lebensdauer besitzen. Die Erzeugungskosten liegen normalerweise zwischen 1 9 Cent pro kwh. 5

6 Vom Wasserrad zur Turbine Wasserräder wurden bereits schon vor mehr als 5000 Jahren zum Wasserschöpfen verwendet. Die Römer nutzten sie für Getreidemühlen und sowohl in Asien als auch im Antiken Griechenland war die Nutzung der Wasserkraft bekannt. Der Durchmesser der größten Wasserräder betrug mehr als 20 m. Prinzipiell kann ein Wasserrad nach dem Aktionsprinzip und dem Reaktionsprinzip aus fließendem Wasser mechanische und über einen angeschlossenen Generator elektrische Energie erzeugen. So trieben während der Industrialisierung die Mühlräder die Mahlwerke von Alte Chinesische Zeichnung einer Wasserhebemühle Papierfabriken an und setzten Transmissionsriemen für Textilfabriken und später für Maschinenfabriken in Schwung. Mühlradmodell (Stoßrad) Die älteste Form des Wasserrades ist das Stoßrad, dessen Schaufeln keine Krümmungen besitzen und horizontal in den Fluß eintauchen. Hier wird die unbeeinflusste Bewegungsenergie des dahinströmenden Wassers genutzt. Weiterhin gibt es das unterschlächtige Wasserrad, das neben der Bewegungsenergie auch die Höhen- bzw. die Lageenergie des Wassers nutzt, da es in einen abfallenden Fluß getaucht wird. Die schnelle Strömungskraft, bedingt durch das Gefälle des Wassers, sorgt für eine höhere Drehzahl und damit für eine höhere Kraftnutzung. 6

7 Unterschlächtiges Mühlrad Das oberschlächtige Wasserrad wiederum nutzt das Gewicht des Wassers, denn hier fließt das Wasser von oben auf muldenförmige Schaufeln. Eine Mischform ist das mittelschlächtige Wasserrad dessen Krümmung der Schaufeln nicht ganz so extrem ist wie bei einem oberschlächtigen Wasserrad und das an einem noch abfallenderen Fluss angebracht wird, als das unterschlächtige Wasserrad; hier wird ebenfalls vorwiegend die Lageenergie genutzt. Wenn man mit einem Wasserrad einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielen möchte, so muß es so gebaut sein, dass der Schaufelwinkel und die Eintrittsverhältnisse des Wassers so gestaltet sind, dass nur minimale Wasserdruckverluste entstehen. Das Wasserrad kann durchaus noch mit den modernen Turbinen mithalten, sofern es sich um kleinere Anlagen handelt; bei größeren jedoch sind Turbinen geeigneter. Wasserturbinen sind Strömungsmaschinen bei denen die Strömungsenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird, indem man den Wasserstrom umlenkt und beschleunigt. Solche Turbinen werden seit über 150 Jahren gebaut. Es haben sich drei Arten von Turbinen durchgesetzt, deren Verwendungsfähigkeit sich nach der spezifischen Drehzahl richtet. Die spezifische Drehzahl wächst mit zunehmender Wassermenge und abnehmender Fallhöhe, also von großen Fallhöhen und kleinen Schematische Darstellung von Gefälle, Drehzahl der Turbinenarten 7

8 Wassermengen (Hochdruckanlagen = kleine spezifische Drehzahl), über mittlere Fallhöhen und mittlere Wassermengen zu geringen Fallhöhen und großen Wassermengen (Niederdruckanlagen = große spezifische Drehzahl). Turbinen mit vergleichsweise hoher spezifischer Drehzahl werden als Schnelläufer bezeichnet. Die drei Hauptturbinenarten sind: die Kaplanturbine (Überdruckturbine), die Francisturbine (Überdruckturbine) und die Peltonturbine (Freistrahl- oder Gleichdruckturbine) Sie erreichen bei langer Lebensdauer, geringer Wartung und größter Betriebssicherheit Wirkungsgrade bis über 93 %. Überdruck- und Freistrahl- oder Gleichdruckturbinen unterscheiden sich aufgrund ihrer Druckverhältnisse des Wasserstroms am Laufradeintritt. 8

9 Überdruckturbinen Die Hauptbauteile der Überdruckturbinen bestehen in der Regel aus: der Einlaufspirale, die die Aufgabe hat das einströmende Wasser gleichmäßig über den ganzen Umfang der Turbine zu leiten, des feststehenden Leitapparates mit verstellbaren Leitschaufeln, der eine Feinregulierung des Wasserstroms ermöglicht und diesen in die vorgeschriebene Richtung dem Laufrad zuführt, des sich mit der Welle drehenden Laufrades, bestehend aus dem Turbinenrumpf samt verstellbaren Flügeln und dem Saugrohr, das den Höhenunterschied zwischen Laufradaustritt und dem tiefer liegenden Unterwasserspiegel nutzt, indem es einen Teil der im Laufrad nicht umsetzbaren kinetischen Energie des mit hoher Geschwindigkeit austretenden Wassers in nutzbare Druckenergie zurückverwandelt. Die volle Durchflutung des Laufrades wird durch das Druckgefälle bedingt, das in der Überdruckturbine herrscht und der Beschleunigung des Wasserstroms dient. Im Gegensatz dazu ist bei der Freistrahl- oder Gleichdruckturbine das Laufrad nur teilweise beaufschlagt (halbe Durchflutung) und vom Wasserstrom druckfrei. Regelung der Turbinen Mit Hilfe der Turbinenregler kann die Betriebsdrehzahl eingehalten werden, denn durch diese Regler erfolgt die Einregulierung der Turbinen auf gleiche Frequenz wie das Stromnetz. Infolge von Lastschwankungen im elektrischen Netz wird so bei Zunahme der Generatorbelastung die Drehzahl der Turbine gesenkt, bei Abnahme der Generatorbelastung gesteigert. Durch entsprechende Steigerung (Verminderung) ihrer Durchflutung kann die Drehzehl wieder eingeregelt werden, das heißt, der Ausgleich zwischen Antriebsleistung und Stromabnahme wird wieder hergestellt. Bei Überdruckturbinen wird dies dadurch geregelt, dass der Drehzahlregler der Turbine den Leitapparat (siehe Kaplanturbine) durch Laufradverstellung über die 9

10 Servomotoren schließt oder öffnet. Freistrahlturbinen werden hingegen durch Verstellung der Nadeldüsen (siehe Peltonturbine) geregelt. Bei einem Abfall der Generatorlast wird jedoch, bevor die Düsenverstellung vorgenommen wird, der Strahlablenker in Betrieb gesetzt, was eine Schließzeitverlängerung der Düse erzielt, um die Entstehung von Druckstößen in der Triebwasserleitung zu vermeiden oder zu begrenzen. Wasserregelung einer Pelton-Turbine Wasserregelung bei einer Kaplan-Turbine durch Veränderung des Schaufelwinkels 10

11 Die Kaplanturbine Typischer Propeller einer Kaplan-Turbine Die Kaplan-Turbine wurde zwischen 1912 und 1918 durch den Österreichischen Ingenieur Victor Kaplan entwickelt und wird hauptsächlich bei Fallhöhen von 2-60 m eingesetzt und eignet sich deshalb besonders für Flüsse (mit großer Wassermenge und geringem Gefälle). Kaplan-Turbinen laufen äußerst schnell. Sie werden bis zu einer Leistung von 125 MW gebaut und arbeiten mit einem maximalen Wirkungsgrad von 95 %. Die Turbine ähnelt einer Schiffsschraube und wird meistens vertikal eingebaut, so dass das Wasser von oben auf die verdrehbaren Schaufeln des Laufrades trifft und die Turbine antreibt. Simuliertes Strömungsverhältnis 11

12 Simulierte Wasserdruckverhältnisse Durch die Verstellbarkeit der Flügel kann die Turbinenleistung an das schwankende Flußwasserangebot angepasst werden. Die Turbinen werden (je nach Einsatzbereich) mit drei bis sechs Schaufeln gebaut. Ist die Fallhöhe groß, so besitzt die Turbine sechs Schaufeln, um so geringer die Fallhöhe ist, um so weniger Schaufeln werden benötigt. Der Leitapparat der Kaplan-Turbine besteht aus jalousieartigen Lamellen und hat die Aufgabe, die einströmenden Wassermassen so zu lenken, daß sie parallel zur Turbinenwelle auf die Schaufeln des Laufrades treffen, die von Servomotoren gesteuert werden. 12

13 Nicht nur die Schaufeln des Laufrades, sondern auch die Schaufeln des Leitapparats sind verstellbar. Es gibt verschiedene Sonderformen der Kaplan-Turbine, zum Beispiel die TAT-Turbine (Tubular Axial Turbines). Flügelverstellung am Kaplan-Turbinen-Modell Die TAT-Turbine Die TAT-Turbinen werden bei kleineren Wasserkraftwerken eingesetzt, für Fallhöhen von 2 24 m und nur maximal 10 MW erzeugen. Diese Form der Kaplan-Turbinen sind kleiner, vertikal eingebaut und es kann nur entweder das Laufrad oder das Leitrad reguliert werden. Die Rohrturbine (eine weitere Form der Kaplanturbine) Die Rohrturbinen wurden ebenfalls für niedrige Fallhöhen bis zu 25 m entwickelt, können allerdings Leistungen bis zu 75 MW erzielen. Die Rohrturbine wird im Gegensatz zur Kaplan oder TAT Turbine horizontal in Richtung des strömenden Wassers eingebaut um Umlenkverluste weitgehend zu vermeiden. Dadurch haben axial durchströmte Rohrturbinen viele Vorteile da sie einen höheren Vollastwirkungsgrad und eine größere Schluckfähigkeit besitzen. Außerdem sparen Rohrturbinen oder Horizontalturbinen Platz und die Kraftwerkhäuser können mit einer niedrigeren Bauhöhe errichtet werden. 13

14 Die STRAFLO-Turbine Die STRAFLO-Turbine ist eine Weiterentwicklung der Rohrturbine und wird ebenfalls horizontal eingebaut. Hier sind der Generator und die Turbine nicht wie üblich über eine Antriebswelle verbunden, sondern das Laufrad und der Generator liegen in einer Ebene (der Generator ist aber außerhalb des durchströmten Rohres angeordnet) und bilden daher eine Einheit. Die S-Turbine Die S-Turbine ist ebenfalls eine Weiterentwicklung der Rohrturbine und wird für Kraftwerke mit Fallhöhen bis max. 25 m und einer Energiegewinnung bis 15 MW gefertigt. Ihren Namen hat sie von dem S-förmig gekrümmten Saugrohr der Rohrturbine, wobei an der S- Krümmung die Welle zum Antrieb des Generators herausgeführt wird, was eine besonders kompakte Bauweise und einfach gehaltene Einund Auslaufbauwerke für das Wasser ermöglicht. Die Getriebe-Rohrturbine Die Getriebe-Rohrturbine wird für kleinere Kraftwerke bis etwa 4 MW und kleine Fallhöhen bis max. 12 m gefertigt. Der Generator ist durch unterschiedliche Getriebearten über eine horizontale oder vertikale Achse mit der Turbine verbunden. Durch die Wahl der geeigneten Getriebeübersetzung ist eine optimale Anpassung an die Turbinendrehzahl möglich. Das Getriebe ist als eigenständige Einheit ohne Turbinendemontage ausbaubar. Turbinengetriebe zur Umsetzung der Wasserkraft in den Generator 14

15 Die Francis-Turbine Die Francis-Turbine wurde 1849 von dem anglo-amerikanischen Ingenieur James B. Francis nach dem Prinzip von Benoit Fourneyron (1824) entwickelt. Nach diesem Prinzip strömt das Wasser innerhalb eines geschlossenen Systems durch die gekrümmten Schaufeln eines Leitwerks, bevor es auf die Schaufeln des Laufrades trifft und diese in Bewegung setzt. Bei Fourneyron war das Leitwerk im Gegensatz zur Francis-Turbine im Inneren des Laufrades, und das Wasser mußte radial nach außen fließen. Die Turbine von Fourneyron hatte schon einen Wirkungsgrad von 80 %, und nach Verbesserungen durch den Deutschen Karl Anton Henschel (1837), den Amerikaner Samuel B. Howd (der 1838 das Laufrad ins Innere des Leitwerks verlegte), sowie den Engländer James Thomson (der die verstellbaren Leitschaufeln und die gekrümmten Laufradschaufeln entwickelte), erreichte die Francis-Turbine (durch weitere Verbesserungen durch Francis) einen Wirkungsgrad von 90 %. Strömungsverlauf einer Francis-Turbine und Druckbelastungssimulation der Schaufeln 15

16 Sie ist universell einsetzbar und ist damit die am meisten verbreitete Turbine, denn sie kann bei Fallhöhen bis zu 500 m eingesetzt werden. Durch die verstellbaren Schaufeln des Leitapparats kann das zuströmende Wasser reguliert werden, um die Turbinenleistung den Erfordernissen anzupassen. Über das Saugrohr in der Verlängerung der Turbinenachsen fließt dann das abgearbeitete Wasser ab. Die Turbinenachse kann unterschiedlich gelagert sein. So wird sie in der Regel bei Kraftwerken mit größerer Leistung und größerer Fallhöhe vertikal eingebaut, bei kleineren Anlagen ist die Turbinenachse meist horizontal gelagert. Auch hier gibt es wieder verschiedene Sonderformen die kurz erwähnt werden sollten. Francis-Turbine im Rohstahl Unteransicht einer Francis-Turbine 16

17 Die Francis-Schacht-Turbine Die Francis-Schacht-Turbine eignet sich für Anlagen, die mit niedriger Fallhöhe bis etwa 2 m arbeiten und erreicht Leistungen bis 2 MW. Die Francis-Spiral-Turbine Francis-Spiral-Turbinen werden meist bei kleineren Kraftwerksanlagen mit mittleren Fallhöhen von 5 bis 170 m eingesetzt und kann eine Leistung bis maximal 10 Megawatt erzielen. Einsatzgebiete der Francis-Turbine 17

18 Die Pelton-Turbine Gittermodell einer Pelton-Turbine mit Doppelschaufeln Die Pelton-Turbine ist eine Freistrahlturbine die 1889 von dem Amerikaner Lester A. Pelton erfunden wurde. Bei dieser Turbine entsprechen Teile dem Leitapparat der Überdruckturbine, da er eine oder mehrere feinregelbare Nadeldüsen besitzt, die meist mit Strahlablenkern zur Verlängerung der Schließzeit der Drüse ausgerüstet sind. Das Saugrohr entfällt bei dieser Turbine, da sie frei über dem Unterwasserspiegel (meistens direkt nach unten innerhalb des Turbinenraumes) ausschütten muß. Pelton-Turbine mit offenem Generator bei der Endmontage 18

19 Modell einer Pelton-Turbine mit anhängender Welle und Generatoren Das Laufrad besteht aus einer Radscheibe, auf deren Umfang becherartige, durch eine Schneide in 2 Halbschalen gegliederte Doppel-Schaufeln befestigt sind (zwischen 15 und 40 Schaufeln). Es wird von den Wasserstrahlen die aus der Düse austreten tangential beaufschlagt (geflutet). Der auftreffende Strahl wird durch die Schaufelmulden umgelenkt, da die Schaufelschneide diesen Strahl in zwei Strahlhälften teilt. Das Wasser wirkt also durch reinen Ablenkungsdruck auf das Laufrad. Peltonturbinen werden bei Fallhöhen bis über 1700 m eingesetzt, die bisher erreichte maximale Fallhöhe beträgt 1775 m (Kraftwerk Reiseck-Kreuzeck/Österreich). Sie werden sowohl mit liegender als auch mit stehender Welle ausgeführt, wobei die liegende Ausführung ausschließlich als 1- bis 2-düsige Einrad- oder Zweiradturbine erfolgt. Turbinen mit stehender Welle werden nur als Einradmaschinen ausgeführt. Wieviele Düsen pro Laufrad angeordnet werden, hängt von der zur Verfügung stehenden Wassermenge ab, maximal sind es jedoch 6 Düsen. Der Wirkungsgrad bei Teilbeaufschlagung der Peltonturbinen ist größer, als der der übrigen Turbinenarten, da sie ein hervorragendes Teillastverhalten haben. Montage einer Pelton-Turbine 19

20 Wassereinspritzung einer Pelton-Turbine mit sechs Nadeldüsen Herstellung in der Montagehalle 20

21 Grundschema einer Wasserkraftanlage Laufwasserkraftwerk Beim Bau einer Wasserkraftanlage muß die Aufgabe bewältigt werden, das Gefälle der auszubauenden Strecke eines Flusses an geeigneten Stellen zu Fallstufen zusammenzufassen und die gewonnene Fallhöhe sowie die verfügbare Wassermenge mit Generatoren im Kraftwerk am Fußpunkt dieser Fallstufe abzuarbeiten. Das heißt das die durch den Wasserdruck angetriebenen Turbinen des Kraftwerkes die potentielle oder kinetische Energie des Wassers mit Hilfe des Generators in elektrische Energie umwandeln. Wasserkraftanlagen werden nach verschiedenen Merkmalen und Gesichtspunkten eingeteilt. Diese Merkmale sind: Ausbauleistung, Ausbauform, Fallhöhe, Form des Wasserhaushalts, Wert der erzeugbaren Energie etc. 21

22 Nach diesen Merkmalen werden Wasserkraftanlagen unterschieden in: 1) Unterscheidung nach Fallhöhe H a) Niederdruckanlagen mit H < 50 m b) Hochdruckanlagen mit H > 50 m 2) Unterscheidung nach der Form des Wasserhaushaltes a) Laufwasserkraftwerke mit laufender Verarbeitung des natürlichen Zuflusses ohne vorherige Speicherung b) Speicherkraftwerke mit Beeinflussung des Kraftwerkszuflusses nach Menge und Zeit durch Speicherung (Tages-, Wochen-, Jahresspeicher) Niederdruckanlagen Niederdruckanlagen werden entweder als Fluß-Staukraftwerke oder als Seitenkanal- Umleitungskraftwerk gebaut und verarbeiten bei kleinen Fallhöhen vergleichsweise große Wassermengen. Einlaufbauwerk, Turbinenkammer und Saugrohr werden in einem einzigen Baublock zusammengefasst. Bei größeren Fallhöhen wird zwischen Einlauf und Turbinenkammer ein kurzes Druckrohr eingeschaltet. Die Turbinen sind normalerweise Kaplan- oder Propellertur-binen mit vertikal angeordneter Welle. Ihre niedriegen Drehzahlen erfordern Generatoren mit großen Durchmessern. Der Hochbauteil des Maschinenhauses kann entfallen, wenn die Generatoren in Freiluftausführung gebaut werden. Bei nicht zu großen Leistungen kommen in neuerer Zeit auch auch Rohrturbinen zum Einsatz. 22

23 Beim reinen Flußkraftwerken stehen Krafthaus und Stauwehr mit ihrer Längsachse quer zum Flußlauf, bei schiffbaren Flüssen wird für den Schiffsverkehr noch zusätzlich eine Schleuse eingebaut. Beim Seitenkanalkraftwerk wird das Krafthaus vom Flußlauf und Stauwehr abgetrennt und seitlich des Hauptflußlaufes errichtet. Diese Bauweise kann jedoch nachteilig für die Umwelt sein, da das Flußbett teilweise trockengelegt wird und daraus veränderungen des Grundwasserstandes resultieren. Wegen der meist geforderten Restwassermenge im Fluss ist die Energieausbeute jedoch geringer als beim reinen Flußkraftwerk. Beim Ausbau längerer Gewässerstrecken unterteilt man die Gesamtfallhöhe in mehrere Ausbaustufen. Beispiel hierfür ist der weitgehend durchgeführte Ausbau der rund 220 km langen Innstrecke zwischen Kufstein und Passau (17 Kraftstufen, ca. 785 MW Gesamtausbauleistung, ca GWh Jahreserzeugung). Besondere Bauarten des Flußkraftwerkes sind: das Pfeilerkraftwerk, bei dem Turbineneinläufe, Maschinen und Turbinensaugrohre in den Pfeilern des Stauwehrs untergebracht werden, das überströmte Kraftwerk, bei dem Krafthaus und Stauwehr in einem Baublock vereinigt sind und Hochwasser, Eis und Schwemmzeug werden mit einer Stauklappe über den Baublock abgeführt. 23

24 Hochdruckanlagen Sie werden in der Regel als Umleitungsanlagen gebaut, meist in Verbindung mit einem in höheren Gebirgsregionen liegenden Speichersee (Talsperre). Zur Vermehrung des Wasserangebots werden häufig auch Wasserläufe aus anderen Einzugsgebieten herangezogen, die über Kanäle und Stollen beigeleitet werden. Luftbild Stausee mit Kraftwerk Kraftwerks in drei selbständige Bauwerke: Einlauf am Wasserschloß, Turbinendruckleitung und Krafthaus. Das besondere Merkmal einer typischen Hochdruckanlage ist die völlige bauliche Auflösung des Erhebliche Vorteile kann die Ausführung als Kavernenkraftwerk bringen, bei dem außer den Zuleitungen auch das Kraftwerk mit der Ableitung vollständig in den Berg verlegt wird. Diese Vorteile sind unter anderem: das Kraftwerk ist nicht ortsgebunden, Verkürzung von Druckstollen und Druckschacht, bessere Ausnützung der Fallhöhe, Schutz vor Hochwasser und Lawinwn während der Bauzeit. 24

25 Hochdruckanlagen verarbeiten bei großen Fallhöhen vergleichsweise kleine Wassermengen. Bei kleineren Fallhöhen kommen Francis- Turbinen, bei größeren Fallhöhen Pelton-Turbinen zur Aufstellung. Die Turbinen sind für hohe Drehzahlen ausgelegt und ermöglichen deshalb kleinere Generatordurchmesser. Hochdruckanlagen sind die gegebene Ausbauform im Gebirge oft in mehreren Stufen bzw. Horizonten untereinander mit zunehmender Größe des erfaßten Einzugsgebietes. 25

26 Das Laufwasserkraftwerk Laufwasserkraftwerke werden an Flüssen mit natürlichem oder künstlichen Gefälle eingesetzt. In Laufwasserkraftwerken werden meistens Kaplanturbinen verwendet, die durch das (von oben) einströmende Wasser angetrieben werden und damit Bewegungsenergie erzeugen, die an einen Generator weiter Schema Laufwasserkraftwerk geleitet wird. Je größer das Gefälle ist (also je größer der Durchfluß ist) desto größer ist die zu erzielende Leistung. Durch das stetige Wasserangebot können Laufwasserkraftwerke vierundzwanzig Stunden betrieben werden und dienen neben Braunkohlen- und Kernkraftwerken der Deckung der Grundlasten im Stromnetz. 26

27 Das Speicherwasserkraftwerk Schnitt eines Staukraftwerks Speicherwasserkraftwerke oder Stauanlagen, werden an hochgelegenen natürlichen Seen oder künstlichen Stauseen errichtet, die einen natürlichen Wasserzulauf besitzen. Über Rohrleitungen wird das Wasser der tief gelegenen Turbine zugeführt, je nach Fallhöhe handelt es sich um Francis- oder Pelton-Turbine, um dort in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Diese Wasserkraftwerke werden meist nur kurzfristig in Betrieb genommen, wenn der Elektrizitätsbedarf ansteigt. In diesem Fall wird mehr Wasser aus dem Becken in die Rohrleitungen gelassen, als aus dem natürlichen Zulauf einfließt (d.h. die Wassermenge ist größer als wenn kein künstlicher Eingriff des Menschen erfolgt und damit auch 27

28 die zu erzielende Energiemenge) um den Spitzenbedarf decken zu können. Während der Elektrizitätsbedarf niedrig ist, steht die Turbine still und das zulaufende Wasser wird als potentielle Energie im Speicherbecken gesammelt. Das Weltweit größte Speicherwasserkraftwerk ist der Itapui Damm an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay. Mit einer Leistung von MW deckte es 1995, 78 % des Strombedarfs in Paraguay und 25 % des Bedarfs in Brasilien. Dieses Kraftwerk ist 196 m hoch, fast 8 km lang und besitzt 18 Turbinen. Das Staubecken faßt ca. 29 Millionen Kubikmeter Wasser bei einer Wasserfläche von 1350 quadratkilometern. Das Pumpspeicherkraftwerk Pumpspeicher-Kraftwerk Pumpspeicherkraftwerke bestehen aus zwei Becken mit Höhenunterschied (Unterbecken und Oberbecken) und einem Wasserkraftwerk und werden ähnlich wie Speicherwasserkraftwerke genutzt. 28

29 Sie unterscheiden sich von Speicherkraftwerken nur dadurch das sie im Krafthaus noch zusätzlich eine Pumpe eingebaut haben. Wenn keine Energie benötigt wird, pumpt man das Wasser mit dem anfallenden Überschußstrom aus dem Unterbecken in das Oberbecken, um dort gespeichert zu werden, bis wieder Elektrizitätsbedarf vorliegt. Das Wasser wird dann in Zeiten hohen Energiebedarfs wieder in das untere Becken geleitet, wobei es dabei durch eine Turbine strömt, die an einen Generator angeschlossen ist. Typische Anordnung von Generator, Zulaufschacht, Turbine und Saugrohr eines Wasserkraftwerks Dies geschieht zur Entlastung anderer Kraftwerke, jedoch handelt es sich bei Pumpspeicherkraftwerken nicht um Stromgewinnung, sondern sie dienen eher als Reserve um in Spitzenzeiten Strom zu erzeugen. Entsprechend den Speichermöglichkeiten unterscheidet man reine und gemischte Pumpspeicherwerke. Bei einem reinen Pump- 29

30 speicherwerk wird das Oberbecken ausschließlich im Pumpbetrieb gefüllt, bei gemischten Pumpspeicherwerken besitzt das Oberbecken einen natürlichen Zulauf, das heißt eine derartige Anlage nutzt unmittelbar auch natürliches Wasserkraftpotential. Wegen der Unabhängigkeit von größeren natürlichen Zuflüssen können reine Pumpspeicherwerke daher oftmals in der angestrebten Nähe der Verbrauchsschwerpunkte des Verbundnetztes angelegt werden. Eine wichtige Voraussetzung für die Anlage von Pumpspeicherwerken sind günstige Geländebedingungen für die Schaffung der beiden Becken. Die Fallhöhe kann zwischen 100 und über 1000 m liegen. Das Oberbecken reiner Pumpspeicherwerke muß meistens auf geeigneten Hochflächen künstlich geschaffen werden, wobei bei gemischten Anlagen häufig eine für andere Nutzungsarten zu erstellende Talsperre als Oberbecken mitbenutzt wird. Als Unterbecken dient öfter eine bereits vorhandene Stauhaltung eines Flußkraftwerkes. Es gibt zwei Grundarten nach denen der Aufbau der Maschinensätze erfolgt: 1) bei der konventionellen Bauweise sitzen Pumpe und Turbine, getrennt durch die sowohl als Motor wie als Generator arbeitende Synchron-Maschine auf derselben Welle, 2) bei der reversiblen Pumpenturbine werden die beiden hydraulischen Maschinen der konventionellen Bauweise in einer Maschine vereinigt. Die Turbine wird in umgekehrter Drehrichtung mit der Synchron-Maschine als Pumpe gefahren, bei sehr großen Fallhöhen neuerdings auch eine mehrstufige Pumpe als Turbine. Beide Bauweisen können sowohl mit liegender als auch mit stehender Welle ausgeführt werden. Bei 1) wird die liegende, bei 2) eine stehende Anordnung der Turbinen bevorzugt. Im ersten Fall werden entsprechend der Fallhöhe Francis- oder Pelton-Turbinen wie bei Hochdruckanlagen eingesetzt. Meistens besteht die Anordnung aus einem dreiteiligen Maschinensatz, bei dem im Turbinenbetrieb die Pumpe ausgekuppelt wird und beim Pumpenbetrieb die vorher mit Druckluft leer geblasenen Turbinen frei mitlaufen. 30

31 Die Entwicklung der Pumpenturbine stellt eine erheblichen Fortschritt in der maschinellen Ausrüstung der Pumpspeicherwerke dar. Durch ihre Verwendung können je nach Eigenart des jeweiligen Projektes bis zu 20 % der Anlagekosten eingespart werden wegen einfacherer maschineller Einrichtung, geringerem Armaturen- und Leitungsaufwand und damit geringerem Bauvolumen. Dafür sind jedoch Wirkungsgradeinbußen von 2 bis 3 % und etwas längere Schaltzeiten in Kauf zu nehmen. Der Betriebsrythmus reiner Pumpspeicherwerke umfaßt gewöhnlich 24 Stunden bis eine Woche, wobei die derzeitige Tendenz mehr zur Wochenspeicherung führt. Der Grund hierfür ist die zunehmende Veränderung der Charakteristik der Werktagsbelastungskurven in der kalten Jahreszeit. Neben ihrem Haupteinsatzzweck als Spitzenkraftwerk bieten Pumpspeicherwerke große allgemein betriebliche Vorteile: schnell einsetzbare Leistungsreserve, sogenannte Augenblicksreserve, bei Ausfall von thermischen Grundlastwerken schnelle Ein- und Umschaltzeit (innerhalb einer Minute); damit ist es möglich, die Einsatzleistung eines Pumpspeicherwerkes als Summe der Turbinen- und Pumpleistung zu betrachten, Ausgleich der Schwankungen der Netzfrequenz aufgrund rasch auftretender Laständerungen, geringe Wartungskosten. 31

32 Die Gesamtwirkungsgrade von modernen Pumpspeicherwerken liegen bei 0,70 bis 0,75 und darüber, das heißt 70 bis 75 % der aufgewendeten Energie werden wiedergewonnen. Das Prinzip der Pumpspeicherung wurde großtechnisch erstmals in Deutschland zwischen 1926 und 1932 verwirklicht. Einen weltweiten Aufschwung nahm die Pumpspeicherung nach 1950 in Industrieländern, in denen die Stromerzeugung vorwiegend in thermischen Grundlastwerken erfolgt. 32

33 Gezeitenkraftwerke Gezeitenkraftwerke nutzen den zweimal täglich an der Meeresküste auftretenden Wasserspiegelunterschied zwischen Ebbe und Flut, als Fallhöhe zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Wasserturbinen und Generatoren. Im Prinzip geschieht dies, indem das Meerwasser bei steigender Flut nach Erreichen einer bestimmten Wasserspiegeldifferenz durch Turbinen in ein künstlich geschaffenes Speicherbecken fließt, aus dem es bei Ebbe durch die beidseitig durchströmbaren Turbinen wieder in das offene Meer zurück strömt. Die wichtigste hydrologische Vorraussetzung für die Energieerzeugung ist ein mittlerer Tidehub (Wasserspiegelunterschied) von mindestens 3 m, der für eine Wirtschaftliche Nutzung in der Regel jedoch nicht ausreicht. Hohe mittlere Tidehübe weisen zwischen 8 und 13 m auf, maximale Tidehübe bis zu 15 m, die Wirtschaftlich nutzbar sind. Weiterhin erfordert die Errichtung einer Tidekraftanlage günstige topographische und geologische Bedingungen für die Schaffung des Speicherbeckens und die Gründung der einzelnen Bauteile. Besonders geeignet sind trichterförmige in das Land einschneidende Buchten und gut erreichbarer Felsuntergrund. 33

34 Die Elemente einer Tidekraftanlage sind: Speicherbecken, Absperrdamm, Regulierwehr und Kraftwerk Das Kraftwerk hat den Charakter einer Niederdruckanlage mit meist in beiden Richtungen durchströmbaren Rohrturbinen, die gleichzeitig auch als Pumpen für eine über den höchsten natürlichen Beckenwasserstand (Ausgleichswasserstand Meer Becken) hinausgehende zusätzliche Speicherung eingesetzt werden können (Pumpspeicherung). Nach ihrer Arbeitsweise und der daraus resultierenden Anordnungsart der einzelnen Bauelemente unterscheidet man folgende Aufbauformen: 1. Einbecken-Gezeitenkraftwerk a) als einfach wirkende Anlage, das heißt sie wird nur bei Entleerung des Beckens während der Ebbe oder bei Füllung während der Flut genutzt, b) als zweifach wirkende Anlage, die sowohl bei Ebbe als auch bei Flut arbeitet. 2. Zweibecken-Gezeitenkraftwerk a) als einzeln wirkende Zweibeckenanlage mit zwei getrennten Krafthäusern oder einem gemeinsamen Kraftwerk, b) als zusammenarbeitende Zweibeckenanlage mit dem Krafthaus im Trennungsdamm. 34

35 Eine über die Tide gleichmäßige Leistungsabgabe ist bei einfach wirkenden Einbeckenanlagen nicht möglich. Die Turbinenanlage arbeitet mit mehrstündigen Unterbrechungen bei stark schwankender Fallhöhe und Leistung. Hinzu kommt der generelle Nachteil der täglichen Verschiebung des Energieangebots um 50 Minuten entsprechend der Verschiebung der Eintrittszeiten von Ebbe und Flut. Einfach wirkende Einbeckenanlagen sind deshalb zum Arbeiten auf das Netz kaum geeignet. Mit der von den Anlagekosten her teureren zweifach wirkenden Einbeckenanlage wird ein größeres Arbeitsvermögen erzielt. Die Schwankungen der Leistungsabgabe und die Betriebsunterbrechungen sind auch hier noch beträchtlich. Erst mit der wesentlich aufwendigeren Zweibeckenanlage lassen sich die Unterbrechungen der Stromerzeugung vermeiden und ihre Schwankungen vermindern, jedoch nicht völlig ausgleichen. Nach dem heutigen Stand der Erkenntnisse dürften Gezeitenkraftwerke mit Zweibeckenanlagen und Kraftwerk im Mitteldamm am zweckmäßigsten sein. Sie werden so betrieben, daß der Wasserspiegel im ersten Becken immer über dem mittleren Meeresspiegel, im zweiten Becken stets unter diesem gehalten wird. Die Turbinen können durchgehend gefahren werden, sofern der Spiegelunterschied zwischen den beiden Becken stets groß genug bleibt. 35

36 Wellenkraftwerke Das Heben und Senken großer Wassermassen (Wellen) durch die Reibung des Windes mit der Wasseroberfläche bedeutet eine periodische Änderung der potentiellen Energie des Wassers, die im Prinzip in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Dies geschieht in einem Wellenkraftwerk. Dort wird durch die Wellen in einer Kammer der Luftdruck periodisch erhöht und gesenkt, die Luft treibt eine Turbine mit angeschlossenem Generator an. 36

37 Sonderformen der Wasserkraftgewinnung Kraftwerk mit Sandstrand (Island) Island liegt auf dem Mittelatlantischen Rücken und ist somit einer der wenigen Orte dieser Erde, wo der Vorgang tektonischer Plattenverschiebungen über Wasser beobachtet werden kann. Entlang des Mittelozeanischen Rückens (und somit auch auf Island) dringt Magma kontinuierlich zwischen die auseinanderdriftenden Platten, wo es erstarrt und dann selbst zu einem Krustenteil wird. Dies hat auf Island zur Folge, dass die Erdwärme hoch genug ist um vorhandenes Wasser bis zum Siedepunkt zu erhitzen. Deshalb findet man dort sehr viele heiße Quellen und Geysire. Die Isländer haben gelernt diese sich selbst erneuernde Energie zu nutzen. Geothermik heißt heute das Zauberwort: Lava und heiße Quellen werden zur Versorgung mit Energie genutzt, wodurch Island relativ unabhängig von importierten Energierohstoffen ist. Eine einzigartige Szenerie aus Kraftwerksanlagen, Lavagestein, Dampfschwaden und Sandstrand gibt es in Island. In geothermischen 37

38 Kraftwerken werden aus 240 Grad Celsius heißen Salzwasserquellen Strom und Wärme erzeugt. Diese Energie wird sowohl für die Industrie, die Landwirtschaft und den privaten Bereich genutzt. Für die Industrie wird über Dampfturbinen Strom erzeugt, in Gewächshäusern trägt der Dampf direkt zur Aufheizung der Temperaturen bei und für viele Privathäuser kommt die Heizungswärme direkt aus der Erde. Dampfturbinen mit Durchlaufwasser Moderne Wasserdampfstrahlturbine Der Dampfantrieb für Schiffe kehrt zurück in Form eines sparsamen Außenbootmotors. Diese Entwicklung ähnelt äußerlich dem Düsentriebwerk eines Flugzeugs. Herzstück des bis zu 300 PS starken Antriebs ist eine kegelförmige Röhre aus Stahl, die vom Wasser durchströmt wird. Per Generator wird mit hoher Geschwindigkeit über ein Ventil heißer Wasserdampf in diese Stahldüse eingeleitet. Als Folge der blitzschnellen Abkühlung und Kondensation des Dampfes entstehen Schockwellen, die das Wasser aus dem hinteren Ende der schlanken Düse herausschießen lassen: Durch den Rückstoß bewegt sich das Schiff vorwärts. Über ein zweites Ventil im vorderen Teil der Düse wird Luft in das durch die Röhre strömende Wasser geleitet; die Luftblasen verändern das Mischungsverhältnis und die Dichte von Dampf und Wasser. Durch Zugabe von mehr oder weniger Luft lässt sich die Schubkraft 38

39 der Düse erhöhen oder vermindern. Der Dampfdüsenmotor ist für kleine und mittelgroße Boote und Yachten geeignet und verspricht einen fast wartungsfreien Betrieb, weil er auf bewegliche Teile wie Kupplung, Getriebe und Schraube verzichtet. Er verbraucht deshalb auch viel weniger Sprit als gleich starke konventionelle Motoren. 39

40 Quellenverzeichnis 8).htm Stadtbücherei Frankfurt Bockenheim: Lexikon Wasserkraft Bilder; Pelton-Turbine Francis- Turbine Kaplan- Turbine Wasserkraftwerke Laufwasserkraftwerk Speicherwasserkraftwerk Pumpspeicherkraftwerk Gezeitenkraftwerk 40