1.2 Regenerative Energien Regenerative Energien zeichnen sich dadurch aus, daß diese nicht einem endlichen Energievorrat entstammen, sondern (in menschlichem Maßstab betrachtet) erneuerbar sind. Zudem sind sie - im Lebenszyklus betrachtet emissionsfrei. Zu den Regenerativen Energien zählt man: Sonnenenergie, Wind- und Wasserkraft, Geothermie, Energie aus Biomasse. Durch ihre Begrenztheit haben Energieformen aus fossilen Energiequellen wie Kohle, Öl und Gas eine steigende Preistendenz, während bei erneuerbaren Energien eher eine fallende Preistendenz zu beobachten ist (hauptsächlich durch technologischen Fortschritt und Massenproduktion) Skript zur Vorlesung WS 2014/15 22
1.2 Regenerative Energien 1.2.1 Wasserkraftnutzung 1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung 1.2.1.2 Arten von Wasserkraftwerken 1.2.1.1.2.1 Laufwasserkraftwerke 1.2.1.1.2.2 Speicherkraftwerke 1.2.1.1.2.3 Pumpspeicherkraftwerke 1.2.1.1.2.4 Meeresströmungskraftwerke 1.2.1.3 Turbinenarten 1.2.1.4 Vergleich der Turbinenarten 1.2.1.5 Literatur Skript zur Vorlesung WS 2014/15 23
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Verdunstungs-Niederschlagszyklus Quelle: Quaschning Skript zur Vorlesung WS 2014/15
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Entwicklung & Aussichten Die Wasserkraft hatte ihre Blütezeit Ende des 18. Jahrhunderts, da zu dieser Zeit viele Maschinen mittels Wasserrädern angetrieben wurden. Heute ist die Wasserkraft die wichtigste regenerative Energiequelle, die installierte Leistung weltweit beträgt 990 GW, welche 3700 TWh produzieren und damit 16,5% des Weltstrombedarfes (Weltbank 2011) In Deutschland sind 4,3 GW Wasserkraftleistung installiert. Selbst eine Kleinanlage mit einer Leistung von 40 kw kann heute einem Wirkungsgrad von ca. 80% erreichen ( Micro-Hydropower ). Theoretisch ist bei rund einem Viertel aller Flüsse und Seen die Erzeugung von elektrischer Energie möglich. Damit wären ca. 10% des Weltgesamtbedarfs gedeckt. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 25
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Vorteile der Nutzung von Wasserkraft Saubere Energiequelle: keine Emissionen (Schadstoffe bzw. CO 2 ) Kein Verbrauch von nicht-regenerativen Ressourcen Hoher Wirkungsgrad (bei Großanlagen > 90%) Einfache Speicherbarkeit (durch Aufstauen und Hochpumpen) Speicherbarkeit langfristig, nahezu verlustfrei Relativ einfache, bekannte Technologie Sehr lange Lebensdauer der Anlagen Sehr niedrige Betriebskosten der Anlagen Gute Steuer- und Regelbarkeit, schnelles Ansprechverhalten Skript zur Vorlesung WS 2014/15 26
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Nachteile der Nutzung von Wasserkraft Oft schwerwiegender Eingriff in die Umwelt beim Bau Lebensgrundlagen Tiere / Pflanzen gehen verloren Wasser wird für den Betrieb aufgestaut: Gebiete werden überschwemmt Damm stellt Hindernis für wandernde Fischarten dar Hohe Investitionskosten, oft lange Bauzeit Oft Umsiedelung von Menschen erforderlich Störung des biologischen Gleichgewichtes Wasserqualität nimmt zum Teil ab durch Nährstoffanreicherung (Faulgase) bzw. oft reduzierte Sauerstoffanreicherung Skript zur Vorlesung WS 2014/15 27
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Land Anteil an der Gesamtenergie-Erzeugung Paraguay 100,0% Norwegen 98,4% Brasilien 84,6% Venezuela 73,3% Kanada 58,7% Schweiz 53,7% Schweden 45,5% Russland 18,2% China 14,1% Frankreich 10,3% USA 5,8% Deutschland 3,2% Quelle: Weltbank 2011 Skript zur Vorlesung WS 2014/15 28
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Parameter zur Wasserkraftnutzung Das Fliessverhalten lässt sich im Wesentlichen durch zwei Größen kennzeichnen: dem Abfluss Q (in m³/s), dem Pegelstand W (in m), bzw. der Stauhöhe h (in m) Wie bei der Solar- und Windenergienutzung gibt es auch bei der Wasserkraftnutzung eine Schwankungen innerhalb eines Jahres Für die Planung neuer Anlagen wird oft die Jahresdauerlinie herangezogen. Damit lässt sich sagen welche Abflussmenge an wie vielen Tagen im Jahr mindestens wird. Da sich dies jedes Jahr stark ändert werden mehrere Jahre herangezogen. Bild 1 und 2 zeigen wie aus dem Abfluss die Jahresdauerlinie bestimmt wird. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 29
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Bild: Abfluss Q des Rheins im Verlauf des Jahres 1991; Quelle: Quaschning Bild: Jahresdauerlinien des Jahres 1991 Quelle: Quaschning Skript zur Vorlesung WS 2014/15 30
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Bei der Auslegung wird der Ausbauabfluss Q A festgelegt. Das ist die Wassermenge, bei der die volle Leistung erreicht wird. Das überschüssige Wasser muss ungenutzt über das Wehr geleitet werden. Hoher Ausbauabfluss führt zu hoher Stromerzeugung, aber bei einem zu geringen Abfluss (Teillast) zu einem geringeren Wirkungsgrad. Quelle: Quaschning Bestimmung des Ausbauabflusses Q A mit Hilfe der Jahresdauerlinie Skript zur Vorlesung WS 2014/15 31
1.2.1.1 Einführung zur Wasserkraftnutzung Oftmals werden parallel arbeitende Turbinen eingesetzt: Bei maximalem Strombedarf werden alle Turbinen benutzt, bei geringem Strombedarf nur ein Teil davon, die jedoch im Bereich der Vollleistung bei maximalem Wirkungsgrad betrieben werden. Quelle: Quaschning Bild: Betrieb mehrerer kleinerer Turbinen, zur Lastanpassung bei stets maximalem Wirkungsgrad Skript zur Vorlesung WS 2014/15
1.2.1.2 Wasserkraftwerksarten 1.2.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Mit Hilfe eines Wehrs wird Wasser gestaut und durch den Höhenunterschied der beiden Niveaus wird an einer Turbine durch einen Generator Strom erzeugt. h H = h oo -h Wu h o -h u h W Bild: Schematischer Aufbau eines Flusskraftwerks; Quelle: Quaschning Skript zur Vorlesung WS 2014/15 33
1.2.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Die obere Wasserhöhe h o wird durch das Wehr nahezu konstant gehalten, die untere Wasserhöhe h u ist an den Pegelstand h W gekoppelt. Aus dem Verlauf der Pegelstände und der Abflüsse lässt sich der Ausbauabfluss zu dem dazugehörigem Pegelstand bestimmen. Die veränderliche Fallhöhe h ergibt sich damit zu: Daraus bestimmt sich die Leistung P der Anlage zu: ρ mit: ρ Dichte von Wasser (ρ 1.000 kg/m³) (Fall-)höhe [ ]=m Normalfallbeschleunigung ( 9,81 m/s²) Abfluss [ ]=m³/s Skript zur Vorlesung WS 2014/15 34
1.2.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Die elektrische Leistung des Wasserkraftwerks berechnet sich dann: 1 mit: Verlustfaktor (durch Getriebeverluste, Transformatorverluste usw.) liegt typischerweise zwischen 3% 10% ρ Turbinenwirkungsgrad Generatorwirkungsgrad Dichte von Wasser (ρ 1.000 kg/m³) Wasserabfluß [ ] = m³/s Normalfallbeschleunigung ( = 9,81 m/s²) (Fall-)höhe [ ]=m Skript zur Vorlesung WS 2014/15 35
1.2.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Mit der elektrischen Leistung lässt sich der (Nenn-)Wirkungsgrad des Kraftwerkes berechnen: Dieser Wirkungsgrad liegt dabei üblicherweise zwischen 60% und 90%. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 36
1.2.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Oberschächtiges Wasserrad Quelle: Marenbach/Nelles/Tuttas Die Energie des Wassers am Eingang des Wasserrades: Die abgegebene Energie ergibt sich aus der im Wasserrad über die Höhe reduzierte potentielle Energie: Damit ergibt sich der Wirkungsgrad: / Skript zur Vorlesung WS 2014/15 37
1.2.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Unterschächiges Wasserrad: Berechnung von am Wasserradeingang: Potentielle Energie: 1² Leistung des Wassers am Wasserradeingang: v 1 2 Quelle: Marenbach/Nelles/Tuttas Die Schaufel des Wasserrades bremst das Wasser auf v 2 ab, damit ist die restliche Leistung im abfließenden Wasser: 1 2 v 2 Skript zur Vorlesung WS 2014/15 38
1.2.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Quelle: Marenbach/Nelles/Tuttas An das Wasserrad abgegebene Leistung Damit ergibt sich der mech. Wirkungsgrad zu: / 1 2 ² 1 ² Bei historischen Wasserrädern gelingt eine maximale Ausnutzung auf (das abfließende Wasser kann nicht auf 0 abgebremst werden, da es sonst nicht mehr abfließt). Damit ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad von 75%. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 39
4.1.2.1 Laufwasserkraftwerke Problematik: Verfügbarkeit von Wasser im Jahresverlauf Lösung: Nutzung von Speicherkraftwerken Skript zur Vorlesung WS 2014/15 40
1.2.1.2.2 Speicherkraftwerke Speicherkraftwerke funktionieren nach dem selben Prinzip wie Laufwasserkraftwerke, nur das das Wasser zu einem See gestaut wird, um natürliche Schwankungen ausgleichen zu können. Damit ist eine bessere und höhere Auslastung der Turbinen möglich. Diese Art von Kraftwerken sind oft umstritten, da ein großer Eingriff in die Natur nötig ist. Das Arbeitsvermögen eines Speicherkraftwerkes ist gegeben durch: Volumen des Speichersees [ ] = m³ Erdbeschleunigung = 9,81 m/s² Höhe (Fallhöhe) [ ] = m Wirkungsgrad der Kombination Rohre, Turbine, Generator Skript zur Vorlesung WS 2014/15 41
1.2.1.2.2 Speicherkraftwerke Beispiel für die Berechnung des Energieinhalts einer Staustufe eines Speicherkraftwerkes (Kapruner Oberstufe). Folgende Daten sind gegeben: Stauziel Absenkziel Auslauf h 1 = 2 036 m h 2 = 1 960 m h 3 = 1 672 m Speichervolumen V =85 10 6 m 3 Einzugsgebiet A =94km 2 Niederschlagsmenge B = 2000 mm/a Die jährliche Niederschlagsmenge, die maximal in das Becken geleitet werden kann, ergibt sich zu: V 0 = A B = 94 10 6 m 2 2 m/a = 188 10 6 m 3 /a Bild: Kaprun Drossensperre; Quelle:de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1325611 Dies entspricht etwa dem 2-fachen des Speichervolumens V Skript zur Vorlesung WS 2014/15 42
1.2.1.2.2 Speicherkraftwerke Vereinfachend sei angenommen, dass der Stausee Quadergestalt hat. Dann kann mit einer mittleren Fallhöhe h gerechnet werden h =0,5 (h 1 + h 2 ) h 3 = 0,5 (2036 m + 1960 m) - 1672 m = 326 m Der Energieinhalt mit E = mgh= ρ Vgh ergibt sich mit der Dichte von Wasser ρ =1000kg/m³und der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s² zu: E = 85 10 6+3 kg 9,81 m/s² 326 m = 272 10 12 Ws = 76 10 9 Wh Aus dem Beispiel ergibt sich die mittlere Leistung für den Jahresspeicher P inst =E/ 8760 h = 8,6 MW Der beschriebene Betrieb ist nicht sinnvoll. Üblicherweise wird der Stausee mit der Schneeschmelze im Sommer gefüllt und im Winter zur Erzeugung von Spitzenleistung entleert, sodass er im Frühjahr seinen niedrigsten Stand hat. Dabei setzt sich über ein Jahr etwa das 2-fache Speichervolumen um. Bei einem Vollastbetrieb über 25 % des Jahres ergibt sich dann eine Bauleistung der Turbine: P inst = 2/0,25 8,6 MW = 69 MW Skript zur Vorlesung WS 2014/15 43
1.2.1.2.3 Pumpspeicherkraftwerke Prinzip Pumspeicherkraftwerk: In Zeiten in denen wenig elektrische Energie gebraucht wird, wird Wasser mit elektrischen Pumpen auf ein höheres Niveau gepumpt. Zu Stoßzeiten fließt das Wasser dann wieder herab und mithilfe einer Turbine wird wieder Strom erzeugt. Bild: Prinzip eines Pumpspeicherkraftwerks; Quelle: Quaschning Skript zur Vorlesung WS 2014/15 44
1.2.1.2.3 Pumpspeicherkraftwerke Wie beim Speicherkraftwerk berechnet sich die elektrisch speicherbare Energiemenge zu:,. Mit: Speicherinhalt [ ] =m³ Dichte von Wasser ( = 1000 kg/m³) Erdbeschleunigung ( = 9,81 m/s²) (Fall-)Höhe [ ] =m Wirkungsgrad der Rohrleitungen, Turbinen und Generatoren bei der Rückverstromung Das el. Leistungsvermögen eines Pumpspeicherkraftwerkes beträgt: ρ Der Wirkungsgrad kann dabei bis ca. 80% liegen. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 45
1.2.1.2.3 Pumpspeicherkraftwerke Wirkungsgradkette eines typischen Pumpspeichers (Pumpen und Entleeren) Quelle: Quaschning Quaschning 1999 Skript zur Vorlesung WS 2014/15 46
1.2.1.2.3 Pumpspeicherkraftwerke Die wichtigsten Pumpspeicherkraftwerke ( 100 MW) in Deutschland Rang Name, Bundesland, Jahr der Inbetriebnahme Leistung in MW 1 Goldisthal, Thüringen, 2003 1 080 2 Markersbach, Sachsen, 1979 1 050 3 Schluchseewerk: Hornbergstufe bei Wehr, B-W, 1975 980 4 Waldeck II, Hessen, 1973 460 5 Schluchseewerk: Unterstufe Säckingen, B-W, 1967 370 6 Hohenwarte II, Thüringen, 1966 320 7 Erzhausen an der Leine, Niedersachsen, 1964 220 8 Schluchseewerk: Mittelstufe Witznau, B-W, 1943 220 9 Happurg bei Nürnberg, Bayern, 1958 160 10 Schluchseewerk: Unterstufe Waldshut, B-W, 1951 160 18 Geestacht, Schleswig-Holstein, 1958 120 Skript zur Vorlesung WS 2014/15 47
1.2.1.2.3 Pumpspeicherkraftwerke Das größte Pumpspeicherkraftwerk in D: 1060 MW Goldisthal (Thüringen) Quelle: Noak 2003 Skript zur Vorlesung WS 2014/15 48
1.2.1.2.4 Meereskraftwerke Gezeitenkraftwerke: Ein Becken an der Küste wird abgetrennt, sodass Wasser nur noch durch eine Turbine in und aus diesem Becken fließen kann. Damit kann mit den Gezeiten elektrische Energie gewonnen werden. Das für lange Zeit größte Gezeitenkraftwerk La Rance (1967) befindet sich in der Bretagne in Frankreich mit einer Leistung von 240 MW (24 Kaplanturbinen mit je 10 MW, Tidenhub ca. 10 m) Seit 2011 steht das größte Gezeitenkraftwerk in Südkorea mit einer Leistung von 254 MW (Tidenhub 8 m) Mündung des Flußes Rance (bei St. Malo) mit Gezeitenkraftwerk Quelle: wikipedia/tswgb Skript zur Vorlesung WS 2014/15 49
1.2.1.2.4 Meereskraftwerke Leistung eines Gezeitenkraftwerks: Die Höhe des Tidenstands wechselt mit Ebbe und Flut im Zyklus von ca. 12 Stunden 2 1 cos 2 1 cos 2 12 zeitabhängiger Tidenstand Zeitpunkt (in Stunden) Damit hat man potentielle Energie in Form einer wechselnden Wassersäule Δ zur Verfügung. Der zeitabhängige Zu- und Abfluß (bezogen auf die Meeresoberfläche ) ist: 2 12 sin 2 12 Skript zur Vorlesung WS 2014/15 50
1.2.1.2.4 Meereskraftwerke Leistung eines Gezeitenkraftwerks: Die mögliche kinetische Energie kann in Staudruck oder mechanische Energie umgewandelt werden: 2 2 Δ Δ Für die auf die Fläche bezogene Leistung ergibt sich: Δ ~ ~ ³ Die Turbine muss für auf- und ablaufendes Wasser umschaltbar sein, es kommen daher fast ausschließlich Kaplan-Turbinen mit verstellbaren Flügeln (positive und negative Steigung) zum Einsatz. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 51
1.2.1.2.4 Meereskraftwerke Meeresströmungskraftwerke: Sind ähnlich aufgebaut wie Windkraftanlagen, nur das ein Propeller unter Wasser dreht und von der Meeresströmung angetrieben wird. Die Entwicklung befindet sich noch in der Anfangsphase. Bild: Meeresströmungskraftwerk; Quelle: MCT Skript zur Vorlesung WS 2014/15 52
1.2.1.2.4 Meereskraftwerke Wellenkraftwerke Wellenbewegungen werden durch mechanische Konstruktionen direkt in Bewegungen die zur Nutzung von elektrischen Maschinen geeignet sind umgewandelt oder indirekt, z.b. durch pneumatische Wellenkraftwerk bei welchen die Wellen Luft komprimieren, die über eine Windturbine entspannt wird. Bild: Pneumatisches Wellenkraftwerk; Quelle: MCT Bild: Potential für Wellenkraftwerke Quelle: Ingvald Straume via Wikimedia Commons Skript zur Vorlesung WS 2014/15 53
1.2.1.3 Turbinenarten Pelton-Turbine: Das Wasser wird der Turbine über Druckfallrohre zugeführt. Durch eine Düse strömt dann das Wasser mit sehr hoher Geschwindigkeit auf halbschalenförmige Schaufeln. Die Turbine ist für sehr große Fallhöhen ausgelegt, weshalb sie oftmals im Hochgebirge verwendet wird. Ihr Wirkungsgrad beträgt 90% 95%. Bild: Aufbau einer Pelton-Turbine Quelle: Voith-Siemens Hydro Power Generation Skript zur Vorlesung WS 2014/15 54
1.2.1.3 Turbinenarten Pelton-Turbine mit mehreren Düsen Skript zur Vorlesung WS 2014/15
1.2.1.3 Turbinenarten Berechnung der Auftreffgeschwindigkeit des Wasserstahls an einer Schaufel der Pelton-Turbine aus der Bernoulli-Gleichung: 2 2 Luftdruck am Stausee ( ) Geschwindigkeit des Wassers am Stausee ( 0) Höhenlage des Stausees Luftdruck in Turbinenhöhe ( ) Geschwindigkeit des Wassers an der Turbine Höhenlage der Turbine Es ergibt sich damit: 2 Skript zur Vorlesung WS 2014/15 56
1.2.1.3 Turbinenarten Kaplan-Turbine (Rohrturbine): Die Kaplan-Turbine wird typischerweise bei Kraftwerken mit einer geringen Fallhöhe genutzt, wie zum Beispiel bei Flusswasserkraftwerken. Sie besteht aus 3 8 verstellbaren Laufradschaufeln, um sich an wechselnde Einsatzbedingungen anzupassen. Dadurch kann auch bei geringeren Flussgeschwindigkeiten ein guter Wirkungsgrad erreicht werden. Der Wirkungsgrad beträgt in etwa 80% 95%. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 57
1.2.1.3 Turbinenarten Kaplan-Turbine Skript zur Vorlesung WS 2014/15 58
1.2.1.3 Turbinenarten Rohrturbine (wie vertikale Kaplanturbine) Skript zur Vorlesung WS 2014/15 59
1.2.1.3 Turbinenarten Ossberger-Turbine (Durchströmturbine): Die Ossberger-Turbine ist in drei Teile unterteilt, die nacheinander getrennt mit Wasser beaufschlagt werden können. Dadurch kann ein hoher Teillastwirkungsgrad erreicht werden. Sie werden bei kleinem Leistungsbereich und Fallhöhen <100m genutzt. Ein Vorteil ist, dass sie sehr unempfindlich gegenüber Verschmutzung ist. Nachteilig ist allerdings, dass durch die geringe Drehzahl ein Getriebe erforderlich ist. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 60
1.2.1.3 Turbinenarten Francis-Turbine: Sie ist für große Fallhöhen geeignet, also zum Beispiel für Speicherkraftwerke. Da die Turbine auch als Pumpe funktioniert, ist sie auch gut für Pumpspeicherkraftwerke geeignet. Mit ihr sind Wirkungsgrade von über 90% möglich. Allerdings ist das Teillastverhalten der Turbine nicht besonders gut, wodurch der Teillastwirkungsgrad stark sinkt. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 61
1.2.1.3 Turbinenarten Francis-Turbine Skript zur Vorlesung WS 2014/15
1.2.1.4 Vergleich der Turbinenarten Vergleich der Turbinen hinsichtlich Wirkungsgrad und Abfluss Skript zur Vorlesung WS 2014/15
1.2.1.4 Vergleich der Turbinenarten Bild: Einsatzgebiete von versch. Wasserturbinentypen in Abhängigkeit von Fallhöhe und Abfluss; Quelle: Quaschning Skript zur Vorlesung WS 2014/15 64
1.2.1.5 Literatur Mahrenbach, Richard; Nelles, Dieter; Tuttas, Christian: Elektrische Energietechnik, Springer-Verlag, 1. Auflage, 2013 Noack, Friedhelm: Einführung in die elektrische Energietechnik, Hanser- Verlag 2003 Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag, 8. Auflage, 2013 MCT; Marine Current Turbines Ltd, http://marineturbines.com Voith Siemens Power Generation; http://www.voith.com Skript zur Vorlesung WS 2014/15 65