Institut für Elektrische Energietechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Ingo Stadler

Transkript

1 Wasserkraft Hydro Power

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3 Das von der Quelle zum Meer fließende Wasser verfügt über kinetische und potentielle Energie. Water that runs from the spring to the sea contains kinetic and potential energy Die Wasserkraftnutzung beruht auf der Ausnutzung der potentiellen Energie des Wassers, z.b. durch das Aneinanderreihen mehrerer Stauwerke entlang eines Wasserlaufes, die die örtlichen Fallhöhen ausnutzen. Hydro power uses the potential energy of the water, e.g. by connecting different barrages along a river that use the local heads

4 Aufgrund seiner Masse m und seiner zu einem Bezugsniveau relativen Höhe h besitzt ein Körper in einem Schwerefeld Energie. Because of its mass and its relative height according to a reverence level a body has a potential energy within a gravity field Diese potentielle Energie gibt der Körper ab, wenn er an Höhe verliert. The body looses potential energy when it looses height So besitzt ein Wasserkörper der Masse m im Schwerefeld der Erde die potentielle Energie Epot. Water in a specific height h with the mass m has a certain potential energy E pot Dabei wird die potentielle Energie des Wassers mit Hilfe von Turbinen zunächst in rotatorische mechanische und dann mit Hilfe von Generatoren in elektrische Energie gewandelt. The potential energy of the water is first converted into rotating mechanical energy in the turbines and then into electricity in the generator E = m g h pot

5 Um die an einem Wasserlauf zur Verfügung stehende Leistung zu ermitteln, benötigt man Angaben über die Wassermenge Q, die pro Zeiteinheit an dem Wasserlauf abfließt. To determine the available power it is necessary to know the flow Q of the river Der Abfluss eines Gewässers wird als eine so genannte Abflussdauerlinie Q(t) in einem Diagramm über die Zeit aufgetragen. The flow of a river is given as a drain duration curve Q(t) that is a diagram with the time on the x-axis Für alle größeren deutschen Fließgewässer werden die Abflussdauerlinien von den Wasserwirtschaftsämtern ermittelt und jährlich im Deutschen Gewässerkundlichen Jahrbuch veröffentlicht. For the biggest German rivers the drain duration curves are published by the Wasserwirtschaftsamt in the so-called Gewässerkundliches Jahrbuch

6 An einer Gefällestufe wird außerdem die Höhe h, die so genannte Fallhöhe, ermittelt und ebenfalls in einem Diagramm über die Zeit aufgetragen. In another diagram the head h is printed over the time Daraus entsteht die Fallhöhendauerlinie h f (t). That is the so-called head duration curve h f (t) Diese beiden Diagramme ermöglichen die Charakterisierung eines Gewässers bzw. einer Gefällestufe zur Auslegung von Wasserkraftwerken. With both diagrams a characterization of the river site is possible and the basis for a hydro power station design

7 Zur Ermittlung der an einer Gefällestufe zur Verfügung stehenden Leistung wird die Leistungsdauerlinie P(t) ermittelt, d.h. die pro Zeiteinheit verfügbare potentielle Energie des Wassers. Die Abflussmenge Q des Wassers erhält man aus dem Massenstrom und der Dichte des Wassers m g h f P( t) = = m& g hf = ρ g hf ( t) Q( t) t Die jährliche Energieerzeugung W A ergibt sich aus dem Integral über der Leistungsdauerlinie 365 WA = P() t dt 0

8 Da eine Wasserkraftanlage die potentielle Energie des Wassers nutzt, kann die gesamte Energie über die Fallhöhe des Wassers genutzt werden. Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage kann unter Nennbedingungen bei 85% liegen. Im jährlichen Mittel beträgt der Wirkungsgrad jedoch lediglich etwa 70%. Die Differenz beruht auf den zeitlichen Schwankungen der Durchflussmenge und der Fallhöhe, woraus Abweichungen von den Nennbedingungen auftreten. Turbine Getriebe Generator Wirkungsgrad bis 94% 98% 94%

9 Pelton Francis Ossberger Kaplan horizontal Kaplan vertikal

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11 1. Pelton 2. Ossberger 3. Kaplan 4. Francis 5. Propeller

12 Kaplanturbine

13 Effektive Fallhöhe

14 Europas ältestes Laufwasser- Kraftwerk in Rheinfelden Europe s oldest run of the river power station in Rheinfelden Alt: 25,7 MW Old: 25,7 MW Neubau: 116 MW New construction: 116 MW

15 Ossberger-Turbine

16 Francis-Turbine

17 Wasserkraftwerk Itaipu, Brasilien

18 Wasserkraftwerk Itaipu, Brasilien

19 Itaipu, Brasilien, 13 GW

20 Assuan-Staudamm, Ägypten, 1,1 GW

21 Drei-Schluchten-Staudamm, China, 18 GW

22 (Pump-) Speicherkraftwerke (Pumped) Storage Hydro Power Pelton-Turbine

23 (Pump-) Speicherkraftwerke (Pumped) Storage Hydro Power Wirkungsgradkette Pumpspeicherkraftwerk

24 (Pump-) Speicherkraftwerke (Pumped) Storage Hydro Power

25 (Pump-) Speicherkraftwerke (Pumped) Storage Hydro Power

26 (Pump-) Speicherkraftwerke (Pumped) Storage Hydro Power

27 (Pump-) Speicherkraftwerke (Pumped) Storage Hydro Power

28 Gezeitenkraftwerk Tide Power Station Gezeitenkraftwerke, einfach wirkendes Becken

29 Gezeitenkraftwerk Tide Power Station Gezeitenkraftwerke, Turbine mit Reversbetrieb

30 Gezeitenkraftwerk Tide Power Station St. Malo

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32 Gezeitenkraftwerk Tide Power Station

33 Gezeitenkraftwerk Tide Power Station Gezeitenkraftwerke, Barantsee

34 Wellenkraftwerk Wave Power Station

35 Meeresströmungskraftwerk Marine Current Power Station rotor dia. 11m, rated power 300kW, pile dia. 2.1m operational raised for access Quelle: ISET First run (unloaded) 30 May 2003