Die Rolle der Wasserkraft als erneuerbare Energie und deren Innovationspotentiale Prof. Dr. P. Rutschmann
Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft CO 2 Emmissionen 1200 1000 1000 CO2-Emissionen [g/kwh] 800 600 400 200 800 760 580 200 0 25 20 4 Braunkohle Steinkohle Heizöl Erdgas Solarenergie Kernenergie Windenergie Wasserkraft
Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Erntefaktor von erneuerbaren Energien
Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Anteil der erneuerbaren Energien, weltweit
Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Erneuerbare Energien in Bayern Energiekonzept der Bayerischen Staatsregierung (2011): Steigerung der Wasserkraft in Bayern um rund 20% auf einen Anteil von 17% der Gesamtversorgung.
Strom aus erneuerbaren Energien
Stagnation der Wasserkraft in Deutschland Obschon Wasserkraft eine wichtige Rolle unter den (erneuerbaren) Energien spielt, z.b. Wird weil sie geringe Produktionsschwankungen hat bzw. Verbrauchsschwankungen gut ausgleichen kann weil sie Energie speichern und zeitlich verschoben abgeben kann weil sie kostengünstig ist und den Strompreis tief hält, und zudem extrem CO2 freundlich ist, einen hohen Erntefaktor aufweist die Energie lokal vorliegt die ganze Wertschöpfung vorwiegend lokal anfällt
Stagnation der Wasserkraft in Deutschland Wasserkraft in den Medien unter den erneuerbaren Energien oft als weniger ökologisch als Wind-, Solar- und Biomasse-Kraftwerke dargestellt, weil: sie eine Diskontinuität im Fluss schafft sie die Wanderung von Fischen und Macrozoobenthos behindern kann die Geschiebedurchgängigkeit problematisch ist sie durch den Aufstau die Fließgeschwindigkeiten verringert, und weil sie die Kolmation im Stauraum fördert Trotzdem ist festzuhalten,
Stagnation der Wasserkraft in Deutschland dass: 1.diese nachteiligen Nebeneffekte verhindert oder stark verringert werden können, wenn die Planung darauf Rücksicht nimmt! 1.das Endprodukt Strom für den Verbraucher zwar identisch, aber sowohl die technisch-ökologische als auch die wirtschaftliche Bewertung eine unterschiedliche ist, und dass deshalb 2.einheitliche, vergleichende Förderrichtlinien, die sowohl Vor- als auch Nachteile berücksichtigen, für alle erneuerbaren Energien zu fordern sind!
Bestehendes Querbauwerk am Lech zur Sohlstabilisierung (Eisenbahnerwehr)
Buchtenkraftwerk am Eisenbahnerwehr Technische Daten: Q = 56 m³/s Fallhöhe ca. 5,5 m Leistung ca. 2,7 MW Jahresarbeit ca. 12 GWh Zuflussbedingungen: Breiter aber flacher Abfluss im Flusslauf, der auf kürzester Strecke in einen sehr kompakten Zulaufkanal umgelenkt werden muss.
Bau des Kraftwerks Baustelle am Eisenbahnerwehr
Gibt es nicht einen einfacheren Weg? Das Ziel Kostengünstige, erneuerbare Wasserkraft an bestehenden und neu zu errichtenden Wehren, durch Modularisierung und Verzicht auf ein teures, individuelles Prototypen-Krafthaus, und dadurch die Erschließung neuer Standorte infolge verbesserter Wirtschaftlichkeit! Ökologische Verbesserung mit Durchgängigkeit für Fische und Makrozoobenthos Geringer Einfluss auf das Fließkontinuum Geschiebedurchgängigkeit Erhalt oder Verbesserung der Hochwassersicherheit Geringe Eingriffe in die bestehende Landschaft und Vermeidung von Immissionen Damit soll im Endeffekt die Genehmigungsfähigkeit verbessert werden!
Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Das Resultat Schachtkraftwerk mit horizontaler Einlaufebene (Patent genehmigt) Turbine/Generator in Unterwasserandordnung, die in einem einfachen Betonschacht aufgestellt ist Sohlparallele Rechenebene Bidirektionale Schütze mit verschiedenen Funktionen (Abspülung des Rechenguts, Durchleitung von Geschiebe und Hochwasserertüchtigung) Schacht bei trockenem Flussbett Schnitt durch Schacht und Wehr mit Turbine
Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Unterwasser Schachtkraftwerk mit horizontaler Einlaufebene Kein Zentralengebäude, keine Lärmimmissionen Geringer baulicher Eingriff ohne Landbedarf Geschiebetransport über den Rechen Fischabstieg über den Überfallstrahl Kosteneffizienz geringer Unterhalt Hochwassersicherheit Ökologisch verträglich
Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Unterwasser Schachtkraftwerk mit horizontaler Einlaufebene
Mögliche Probleme des Schachtkonzepts Einige der offenen Fragen der Hydraulik: Die Pumpensumpf-Anordnung muss einen lufteinziehenden Badewannenwirbel erzeugen. Kann ich das vermeiden? Wie sieht es denn mit der Zuströmung und den hydraulischen Verlusten im strömungstechnisch suboptimalen Schachtbauwerk aus? Was sind die Verluste an einem 15mm Feinrechen, mit dem ich den Eintritt von Fischen in die Turbine mechanisch verhindern will? Verstopft mir das anfallende Geschiebe nicht den ganzen Schacht? Wie verhalten sich die Fische bei einer starken, vertikal nach unten gerichteten Strömung?
Mögliche Probleme des Schachtkonzepts
Physikalischer Modellversuch 1:5 Rechen-/Einlaufebene Oberwasser Wehr Variable Geometrie Tafelschütze Saugrohr Unterwasser
Department of Hydraulic and Water Resources Engineering Prototypanlage mit geplanten 30kW
Prototypanlage mit geplanten 30kW im Grundablassbetrieb Prototypanlage an der VAO. Infolge der fehlenden Turbine als Grundablass mit hydraulisch identischem Durchfluss (höherer UW- Stand) betrieben.
Die Wirbelverhinderung Eine Überfallströmung verhindert lufteinziehende Wirbel 3% des Turbinenabflusses genügen dafür und ermöglichen einen schadlosen Fischabstieg
Geschwindigkeitsverteilung und Verluste Überraschend homogene Zuströmung Wir arbeiten mit grossen Einlaufquerschitten und damit geringen Geschwindigkeiten (0.3m/s), was geringe, hydraulische Verluste und kleine Anpressdrücke für Fische zur Folge hat.
Geschiebeablagerungen Sedimentablagerung, die bei Hochwasser aktiviert wird Hochwasserganglinie mit Stufenfunktion
Geschiebeablagerungen Der Schacht ist komplett mit Geschiebe gefüllt Der Leitapparat ist zu Beginn beinahe ganz geschlossen Erfolgreiche Freispülung des Schachts in weniger als 5 Minuten Zusätzliche Spülöffnungen sind bei starkem Geschiebetrieb möglich
Fischversuche im Prototypen
Fischversuche im Prototypen Fischabstieg Variante 1 Abfluss über das Wehr (ohne den Bereich der Kerbe) Q_W [m³/s] 0.0528 Abfluss im Bereich der Kerbe Q_K [m³/s] 0.0709 Gesamt-Abfluss über den Verschluss Q_V [m³/s] 0.1237 Turbinen-Abluss Q_T [m³/s] 1.7195 Abfluss am Messwehr Q_M [m³/s] 1.8432
Fischversuche im Prototypen Absteigender Fisch (Variante 1)
Fischversuche im Prototypen Fischabstieg Variante 2 Abfluss über das Wehr Q_W [m³/s] 0.05916315 Abfluss in der Öffnung Q_K [m³/s] 0.15285293 Gesamt-Abfluss über den Verschluss Q_V [m³/s] 0.21201607 Turbinen-Abluss Q_T [m³/s] 1.7195 Abfluss am Messwehr Q_M [m³/s] 1.93151607
Fischversuche im Prototypen Absteigender Fisch (Variante 2) Fisch beim abwandern
Fischversuche im Prototypen In all den durchgeführten Versuchen wurden keine Fische durch die Strömung an den Rechen gedrückt. Die Fische konnten sich immer frei bewegen und es traten keine Schädigungen auf!
Fischversuche im Prototypen Abwanderung der Fische innerhalb 12h Variante 2 Variante 1
Schlussfolgerungen Wirtschaftlichkeit und Ökologie von Wasserkraft müssen keine Widersprüche sein Die Wasserkraft ist ökologisch, kämpft aber damit, dass Investitionen in ökologische Aufwertungen wirtschaftlich oft nicht darstellbar sind Deshalb sind identische und vergleichende Förderrichtlinien für alle Erneuerbaren zu fordern, die den projektspezifischen und individuellen Fördersatz bestimmen Das Verhalten von Fischen an Wasserkraftanlagen kann kaum vorhergesagt werden. Nur Versuche mit Fischen schaffen Klarheit Ein umfassender Fischschutz ist möglich, bedingt aber geeignete Konzepte und zusätzliche Investitionen
Dank an... Dipl.-Ing. Albert Sepp, (Erfinder und Projektleiter) Franz Geiger, Julien Barbier, Mathilde Cuchet (Projektmitarbeiter) Master- und Bachelor Studenten Und... Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit! Herausforderung Zukunft, CSU-Kreis- und Ortsverband Lechmuseum Langweid, 23. Mai 2011