Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

Transkript

1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Kapitel Wasserkraft Abflussganglinien - Beispiel Donau, 1989 Abfluß [m 3 /s] Zeit in Tagen in Deutschland und Europa sehr gut dokumentiert 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 Wasserkraft 1

2 Wasserkraft - Energieumwandler Peltonturbine (Tangentialturbine) Francisturbine (Radialturbine) Kaplanturbine (Axialturbine) Durchströmturbine Stoßrad unterschlächtiges Wasserrad mittelschlächtiges Wasserrad oberschlächtiges Wasserrad Quelle: HEA, Fasholz, ASE Turbinen, Wasserräder - Einsatzbereiche Quelle: Kaltschmitt/Wiese 1997 Wasserkraft 2

3 Laufwasserkraftwerk - Standard BRD beispielhafter Aufbau mit vertikalachsiger Kaplanturbine Quelle: Fasholz Lauf-Wasserkraftwerke Charakteristische Merkmale (Abweichungen möglich): Flusskraftwerke, Ausleitungskraftwerke bei kleinen Leistungen ( Mühlenbach ) Niederdruckanlagen, Fallhöhen < 20 m bei großen Leistungen: Kaplanturbinen bei kleinen Leistungen: Francis(schacht)turbinen, Durchströmturbinen, Wasserräder kleine und mittlere Leistungen bis 100 MW (BRD) Grundlastkraftwerke Mehrfachnutzung wie Schiffbarmachung, Hochwasserschutz, Trinkwasserversorgung Beispiel: Moselkraftwerke 10 Stück zwischen Trier und Koblenz, etwa alle 20 Flußkilometer Wassermenge ca. 400 m 3 /s, Fallhöhe zwischen 6,5 und 9 m Kaplan-Rohrturbinen Gesamtleistung 180 MW, Gesamtjahresarbeit 800 Mio kwh (Auslastungsfaktor = 51%) Sonderformen: Laufwasser-Kraftwerkskette mit Kopfspeicher für Schwellbetrieb z.b. an Isar und Lech Bereitstellung direkter mechanischer Energie wie früher für Getreidemühlen, Hammer- und Sägewerke oder heute z.b. für den Verdichter einer Wärmepumpe Wasserkraft 3

4 Speicher-Wasserkraftwerk beispielhafter Aufbau mit Peltonturbine Quelle: Fasholz Speicher-Wasserkraftwerke Speicher: Pufferung des zeitlich schwankenden Wasserangebots z.b. Jahresspeicher zur Aufnahme von Schmelzwässern Wasserschloß: Ausgleichsgefäß für den "Wasserschlag" - Umwandlung der kinetischen Energie in potenzielle Energie - bei plötzlichem Stop des Wasserdurchflusses Charakteristische Merkmale (Abweichungen möglich): Talsperrenkraftwerke Mittel-/Hochdruckanlagen, Fallhöhen bis 2000 m Francisturbinen, ab ca. 350 m Fallhöhe Peltonturbinen mittlere und große Leistungen Spitzenlastkraftwerke, bei ausreichender Wassermenge auch als Grundlastkraftwerke Mehrfachnutzung wie Abflussregulierung zur Sicherung der Schifffahrt, Hochwasserschutz, Trinkwasserversorgung, Bewässerung, Freizeit- und Erholungsraum,... Beispiel: Speicherkraftwerk Walchensee Fallhöhe 200 m zwischen Walchensee und Kochelsee Gesamtleistung 72 MW Drehstrom + 52 MW Einphasenstrom (DB) 4 Francisturbinen (Drehstrom) und 4 Peltonturbinen (Einphasenstrom) Gesamtjahresarbeit 320 Mio kwh (Auslastungsfaktor = 30 %) Wasserkraft 4

5 Pumpspeicherkraftwerk - Nutzungsgradkette Quelle: LTT (Raabe 1989) Pumpspeicher-Wasserkraftwerke Eigenschaften: Speicherung von Strom mit ca. 75 % Wirkungsgrad!! volle Leistung in s, auch aus dem Pumpbetrieb heraus!! Charakteristische Merkmale (Abweichungen möglich): Hochdruckanlage, Fallhöhen > 100 m Francisturbinen, umgekehrt betrieben auch zum Pumpen nutzbar mittlere und große Leistungen Spitzenlast-, Reservekraftwerk Beispiel: Pumpspeicherkraftwerk Herdecke am Hengsteysee an A1 (ohne natürlichen Zufluss): Fallhöhe 165 m zwischen Speichersee und Hengsteysee Gesamtleistung 150 MW (seit 1989, plus 132 MW alte Turbinen) 1 Francis-Pumpturbine (alte Anlage: Turbine und Pumpe getrennt) Wasserkraft 5

6 Wellenkraftwerke Nutzung der potenziellen und kinetischen Energie von Wellen vielfältige Möglichkeiten, mehr als 300 Patente weltweit 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) 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 Wasserkraft 6

7 Laufwasserkraftwerk - Nutzungsgradkette η Turbine 90 % η Anlage % (50-70 % bei älteren kleineren Anlagen) energetische Amortisationszeit: < 1 a!! Quelle: Kaltschmitt/Wiese 1997 Turbinen, Wasserräder - Wirkungsgrade Wasserrad (Kaplanturbine mit starren Laufradschaufeln) Quelle: Kaltschmitt/Wiese 1997 Wasserkraft 7

8 Laufwasserkraftwerk - Auslegung grobe Auslegung des "Schluckvermögens" der Turbine: auf 100tägiges Wasser oder Mittelwasser Quelle: Kaltschmitt/Wiese 1997 Wasserkraftwerke - Leistung, Stromerzeugung Hydraulische Leistung eines Wassermassenstromes P Wasser [W], Nutzung von E pot (E kin vernachlässigbar)... P hydraulisch = m. g. Δh m: Massenstrom = Volumenstrom V. Dichte ρ [kg/s] g: Erdbeschleunigung = 9,81 m/s 2 Δh: 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 Wasserkraft 8

9 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) - 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 Kosten - 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 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) Wasserkraft 9