Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Hochschule Düsseldorf Kapitel Wasserkraft a d a m Wasserkraft 1

2 Abflussganglinien - Beispiel Donau, 1989 Abfluß [m 3 /s] in Deutschland und Europa sehr gut dokumentiert Zeit in Tagen Mittelwasser: langjähriger Jahres-Mittelwert des Abflusses bzw. Volumenstromes (Abweichungen vom Regeljahr in Naß- bzw. Trockenjahren, BRD: + 15 %) 100tägiges Wasser: Volumenstrom, der an 100 Tagen im Jahr überschritten wird Quelle: Wiese, 1993 a d a m Wasserkraft 2

3 Wasserkraft - Energieumwandler Peltonturbine (Tangentialturbine) Francisturbine (Radialturbine) Kaplanturbine (Axialturbine) Durchströmturbine Stoßrad unterschlächtiges Wasserrad mittelschlächtiges Wasserrad oberschlächtiges Wasserrad Quelle: HEA, Fasholz, ASE a d a m Wasserkraft 3

4 Turbinen, Wasserräder - Einsatzbereiche Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Wasserkraft 4

5 Laufwasser- bzw. Flusskraftwerk - Standard BRD Oberwasser Generator Transformator Stauwehr Schleuse Fischtreppe Unterwasser Charakteristische Merkmale Niederdruckanlagen, Fallhöhen < 20 m Kaplan-/Francisturbinen; auch Durchströmturbinen, Wasserräder kleine bis große Leistungen Grundlastkraftwerke Mehrfachnutzung: Hochwasserschutz, Schiffbarmachung Turbine Sonderformen: Ausleitung von Wasser bei kleinen Leistungen ( Mühlenbach ) Kopfspeicher für Schwellbetrieb an Kraftwerkskette z.b. an Isar, Lech Bereitstellung mechanischer Energie z.b. für Hammer-/Sägewerke, Wärmepumpenverdichter, etc. Beispiel in BRD: Kraftwerke an der Mosel 10 Stück zwischen Trier und Koblenz, ca. alle 20 Kilometer Wassermenge: ca. 400 m 3 /s Fallhöhen: 6,5 9 m Kaplan-Rohrturbinen 180 MW 800 Mio kwh Strom pro Jahr (Auslastungsfaktor = 51%) Bildquelle: Fasholz a d a m Wasserkraft 5

6 Speicher- bzw. Talsperrenkraftwerk Druckstollen Speicher: Pufferung zeitlich schwankenden Wasserangebots z.b. aus Schneeschmelze Wasserschloss: Ausgleichsgefäß für den "Wasserschlag" bei plötzlichem Stop des Wasserdurchflusses (E kin E pot ) Druckrohrleitung Charakteristische Merkmale: Mittel-/Hochdruckanlagen, Fallhöhen bis 2000 m Francis-/Peltonturbinen mittlere, große Leistungen Spitzenlast, auch Grundlast bei ausreichend Wasser Mehrfachnutzung: Hochwasserschutz, Trinkwasserversorgung, Bewässerung, Freizeitraum Bildquelle: Fasholz Absperrschieber Maschinenhaus Düse Generator Staumauer Peltonturbine Abfluss Ausgleichsbecken Beispiel in BRD: Kraftwerk Walchensee 200 m Fallhöhe zum Kochelsee 4 Francisturbinen (72 MW), 4 Peltonturbinen (52 MW, Einphasenstrom für DB) 320 Mio kwh Strom pro Jahr (Auslastungsfaktor = 30 %) a d a m Wasserkraft 6

7 Pumpspeicherkraftwerk - Nutzungsgradkette Verluste bei der Strom- Rückerzeugung Rohrleitung 1,0 % Turbine 7,5 % Generator 1,8 % Trafo 0,5 % 86 % im Speichersee 77 % zurückgewonnene elektrische Arbeit 100 % zugeführte elektrische Arbeit Verluste beim Hochpumpen 0,5 % Rohrleitung 10 % Pumpe 3,0 % Motor 0,5 % Trafo Charakteristische Merkmale Hochdruckanlage, Fallhöhen > 100 m Francisturbinen, umgekehrt betrieben auch als Pumpe nutzbar mittlere, große Leistungen Spitzenlast-, Reservekraftwerk volle Leistung in s, auch aus Pumpbetrieb heraus! Beispiel in BRD: Pumpspeicherkraftwerk Herdecke (an A1) 165 m Fallhöhe zwischen künstlichem Speichersee und Hengsteysee kein natürlichen Zufluss 1 Francispumpturbine 150 MW (alte Anlage: Turbine und Pumpe getrennt, 132 MW ) Bildquelle: LTT / Raabe a d a m Wasserkraft 7

8 Wellenkraftwerke Nutzung der potenziellen und kinetischen Energie von Wellen vielfältige Möglichkeiten kleintechnische Anlagen: kommerziell realisiert bei der elektrischen Versorgung entfernt gelegener Verbraucher (Bojen, Ölbohr-Plattformen, etc.) mittel- und großtechnische Anlagen: nur wenige Prototypanlagen, z.b. - Hebrideninsel Islay/Schottland, 35 kw im Durchschnitt, 75 kw bei Sturm - Bergen/Norwegen, 350 und 500 kw, teils nach kurzer Laufzeit zerstört - Japan, 40 kw spezielle Probleme: Bautechnik großer Anlagen, Korrosion, Algenbewuchs Luft Luft Theoretisches Potenzial weltweit nach Behrens/Miller: TWh/a (mittlere Leistung der Nordseewellen nach Meliß: 14 kw/m) Wasser Wasser Prinzip des Wellenkraftwerkes auf Islay (Quelle: HEA) a d a m Wasserkraft 8

9 Meereskraftwerke Gezeitenkraftwerke - Nutzung des Tidenhubes der Meere an besonders günstigen Küstenformationen (bis zu 20 m durch Aufstauung und Resonanzen; ca. 1 m auf offener See) - einige ausgeführte Anlagen, z.b. an der Rance-Mündung in Frankreich (240 MW), in China und Kanada - zu beachten: zeitlich veränderliche Größe des Tidenhubes (3,3 13,5 m an der Rance) und des Einsetzens von Ebbe und Flut (tägliche Verschiebung um ca. 50 min) - Theoretisch / technisch nutzbares Potenzial weltweit nach Meliß: / 300 TWh/a Meereswärmekraftwerke - OTEC Ocean Thermal Energy Conversion - Nutzung der Temperaturunterschiede in verschiedenen Meerestiefen zum Betrieb thermischer Kraftwerksprozesse (ca. 20 K, oben warm, mehrere 100 m tief kalt) - einige Pilotanlagen mit erfolgreichem Probebetrieb z.b. in Japan (100 kw) und den USA (1000 kw) mit Wirkungsgraden von 1-3% - spezifische Probleme: groß zu dimensionierende Wärmeübertrager und Dampfturbinen Meeresströmungskraftwerke - Nutzung der kinetischen Energie von Meeresströmungen - 1. Prototypanlage vor der Küste Cornwalls (Herbst 2000), 350 kw, 10 m unter Wasser - Schätzung zur installierbaren Leistung in Europa: 12 GW allgemeine Probleme von Meereskraftwerken: Bautechnik großer Anlagen, Korrosion und Algenbewuchs a d a m Wasserkraft 9

10 Laufwasserkraftwerk - Nutzungsgradkette η Turbine 90 % η Anlage % (50-70 % bei älteren kleineren Anlagen) energetische Amortisationszeit: < 1 a!! Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Wasserkraft 10

11 Turbinen, Wasserräder - Wirkungsgrade Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Wasserkraft 11

12 Laufwasserkraftwerk - Auslegung grobe Auslegung des "Schluckvermögens" der Turbine: auf 100tägiges Wasser oder Mittelwasser Quelle: Kaltschmitt/Wiese a d a m Wasserkraft 12

13 Wasserkraftwerke - Leistung, Stromerzeugung Hydraulische Leistung eines Wassermassenstromes P Wasser [W], Nutzung von E pot (E kin vernachlässigbar)... P hydraulisch = m. g. h m: Massenstrom = Volumenstrom V. Dichte ρ [kg/s] g: Erdbeschleunigung = 9,81 m/s 2 h: Höhenunterschied [m] Installierte elektrische Nenn-Leistung P el [W] P el,nenn = P. hydraulisch,auslegung η Gesamt,Nenn = P. hydraulisch,auslegung η. Turbine η Getriebe. η Generator. η Trafo P hydraulisch, Auslegung : P hydraulisch unter Auslegungsbedingungen η Gesamt,Nenn : bis ca. 90 % (η Getriebe, η Generator = ca. 95 %) η Gesamt,Jahr : % ( % bei älteren Anlagen kleiner Leistung) elektrische Jahresarbeit Q el [Wh/a] Q el = P. el,nenn b N b N : Vollbenutzungsstunden, h/a je nach Auslegung der Turbine und zeitlichem Verlauf des Wasserangebots f : Auslastungsfaktor [%] = b N / 8760 h/a a d a m Wasserkraft 13

14 Wasserrecht zur Wasserkraftnutzung: Genehmigung der kommunalen Wasserbehörde notwendig, Kommunen führen Wasserbücher (Verzeichnisse der Wasserrechte, analog Grundbüchern) Festlegung der maximalen Stauhöhe (markiert per Eichpfahl), Restwassermenge im Mutterbett (häufiger Streitpunkt), Notwendigkeit einer Fischtreppe, Technik zum Hochwasserschutz, etc. Genehmigungsverfahren teils aufwändig, ungewisser Ausgang wegen konkurrierender Belange des Naturschutzes (Umweltverträglichkeitsprüfung) verschiedene Formen der Genehmigung (mit abnehmendem Wert) Kosten - Altrecht: oft Jahrhunderte alt; schwer zu widerrufen; in einigen Bundesländern erlischt es bei Veränderungen an der Anlage, die über den definierten Umfang des alten Rechtes hinausgehen z.b. beim Einbau einer größeren Turbine - Bewilligung: zeitlich befristet auf ca. 30 Jahre, unter bestimmten Bedingungen widerrufbar - Erlaubnis: zeitlich befristet, leicht zu widerrufen - Wasserrecht = gebührenpflichtig; Höhe der Gebühr = f (Wert und Leistung der Anlage) - Kosten für Genehmigungsverfahren, in der Regel Beauftragung eines Ingenieurbüros zur Erstellung der notwendigen Unterlagen - Kosten zur Umsetzung der Vorgaben a d a m Wasserkraft 14

15 Ausbau der Wasserkraftnutzung, weltweit? Pro: emissions-/co 2 -arme Stromerzeugung geringer Verbrauch an fossilen Ressourcen Unabhängigkeit von Energieimporten Wirtschaftlichkeit einfache, langjährig erprobte Technologie Contra: Überschwemmung weiter Landstriche (Siedlungsgebiete, Ackerland, Regenwald, etc.) Umsiedlung von Menschen Eingriff in das ökologische Gleichgewicht von Wasserabfluß, Verdunstung, etc. gegebenenfalls mit ökologischen und klimatischen Auswirkungen Finanzierungsfrage bei hoch verschuldeten Ländern der 3. Welt speziell BRD: geringe Vergütung eingespeisten Stromes, zögerliche Genehmigungspraxis (Wasserrechte) a d a m Wasserkraft 15