VL 8 - Wasserkraft

Question 1

Arten von Wasserkraftwerken

Answer 1

• Wasserspeicherkraftwerke: große Fallhöhen, Spitzenlast.
  
  • Speicherkraftwerk: Stausee durch natürlichen Zufluss gespeist.
  • Pumpspeicherkraftwerk: Pumpbetrieb bei günstigen Strombezugskosten
• Laufwasserkraftwerke: Stauung von Flusswasser, geringe Fallhöhen, geringes Stauvolumen, großer Volumenstrom, Grundlast (konstanter Wasserdurchsatz)
• Sonderformen:
  
  • Gezeitenkraftwerk
  • Meereströmungskraftwerk
  • Wellenkraftwerk
  • Osmosekraftwerk

Question 2

Pumpspeicherkraftwerk

Answer 2

Speicherung von Wasser in einem Stausee (potentielle Energie).

Pumpbetrieb bei günstigen Strombezugskosten.

Hoher Rückgewinnungsgrad: 70-80%

Question 3

Wasserschloß in Rohrleitung von Pumpspeicherkraftwerken

Answer 3

Zur Minderung von Druckstößen

Question 4

Was produziert Druckstößen?

Answer 4

Geschwindigkeitsänderungen in Rohrleitungen:

• beim Schließen/Öffnen von Armaturen
• beim Ein-/Ausschalten von Turbinen und Pumpe

Question 5

Skizze Pumpspeicherkraftwerk

Answer 5

Folie 7

Question 6

Verluste bei Pumpspeicherkraftwerken

Answer 6

Pumpbetrieb (zugeführte elektrische Arbeit):

• Pumpe 10%
• Motor 3%
• Transformator 0,5%
• Rohrleitung 1%

Generatorbetrieb (zurückgewonnene elektrische Arbeit):

• Generator 2%
• Transformator 0,5%
• Turbine 8,5%
• Rohrleitung 1%

Question 7

Speicherkraftwerke

Answer 7

Mit natürlichem Zufluss.

Aufstauung eines Flusses zu einem Stausee.

Kein Pumpbetrieb.

Question 8

Vorteile der Speicherkraftwerke

Answer 8

+ keine CO2-Emissionen im Betrieb
+Hochwasserschutz
+ Energieangebot nahezu unabhängig von Wetter und Zeit

Question 9

Nachteile von Speicherkraftwerke

Answer 9

• Umsiedlung/Enteignung von Bewohnern
• ökologische Eingriffe:
  
  • Zerstörung des natürlichen Fließwasserregimes
  • Fischsterben durch Turbinen, Treibgutrechen und Pumpen
• Verunreinigung oder Absinken des Grundwassers durch Konstruktion von Drainagen und Staudämmen
• Entfernung von Treibgut durch Treibgutrechen
• Überstauung und Zerstörung von Kulturgütern

Question 10

Flächenbedarf von verschiedenen Systemen erneuerbarer Energie

Answer 10

Folie 14

Question 11

Kugelpumpspeicher

Answer 11

Versenkung von Hohlkugeln auf dem Meeresgrund.

• Einspeichervorgang: Kugel wird entgegen dem Wasserdruck leer gepumpt.
• Ausspeichervorgang: Wasser tritt unter hohem Druck in die Kugel ein.

Auf dem Grund eines Gewässers in bis zu 700 m Tiefe Hohlkugeln zu installieren. Bei einem Überschuss elektrischer Leistung im Netz wird das Wasser aus der Hohlkugel gepumpt (wobei ein Unterdruck entsprechend dem Wasserdampfdruck entsteht). Bei Strombedarf lässt man Wasser zurück in die Hohlkugel strömen und treibt damit eine Turbine mit angekoppeltem Generator an.

Question 12

Laufwasserkraftwerk

Answer 12

Skizze Folie 20

Question 13

Turbinentypen

Answer 13

Pelton-Turbine:

• geringer Volumenstrom
• große Fallhöhe (300-2000 m)
• tangentiale An- und Abströmung
• Speicherkraftwerke
• bis zu 90% Wirkungsgrad
• Leistung: bis 400 MW

Francis-Turbine:

• mittelgroßer Volumenstrom
• mittelgroße Fallhöhe (bis 750 m)
• radiale Anströmung und axiale Abströmung
• universell einsetzbar
• bis zu 90% Wirkungsgrad
• Leistung: 10 kW bis 750 MW

Kaplan-Turbine:

• großer Volumenstrom
• niedrige Fallhöhe
• axiale An- und Abströmung
• Laufwasserkraftwerke
• bis zu 95% Wirkungsgrad

Question 14

Pelton-Turbine

Answer 14

• Wasser strömt mit hoher Geschwindigkeit tangential aus einer oder mehrerer Düsen auf die becherförmigen Schaufeln.
• jede Schaufel besteht aus 2 halbkugelförmigen Halbschaufeln.
• Das Wasser wird durch die Becher im entgegengesetzte Richtung umgelenkt.

Question 15

Francis-Turbine

Answer 15

• am weitesten verbreitet
• robuste, einfache Bauweise
• Überdruckturbine: Druck am Eintritt des Laufrads größer als am Laufradaustritt (Wassergeschwindigkeit etwa konstant)

Triebwasserzuführung über Spiralgehäuse, höhere Durchflüsse als Pelton-Turbine, kleinere Abmessungen möglich.

Question 16

Kaplan-Turbine

Answer 16

Einsatz bei gleichmäßigen Durchfluss.

• Überdruckturbine: Druck am Eintritt des Laufrads größer als am Laufradaustritt (Wassergeschwindigkeit etwa konstant)

Schaufeln des Laufrads sind verstellbar. Wenn nicht verstellbar –> Propellerturbine

Drehzahl ist unabhängig von Durchflussmenge, dadurch:

• direkte Einspeisung des Generators ins Netz
• hohe Teillast-Wirkungsgrade erzielbar

Question 17

Gezeitenkraftwerk

Answer 17

Abtrennung einer Meeresbucht oder Flussmündung durch einen Deich.

Flut: Wasser fließt ins Staubecken und treibt Turbine an.
Ebbe: gestautes Wasser strömt zurück ins Meer und treibt Turbine an.

Kaplan-Turbine: arbeitet in beiden Strömungsrichtungen, Stellung der Rotorblätter wird angepasst.

Question 18

Umweltauswirkungen der Gezeitenkraftwerke

Answer 18

• Eingriff in das Ökosystem der Mündung
• Behinderung des Abtransports von Sedimenten und Schlamm führt zu Verlandung der Mündung
• Wanderungen von Tierarten zwischen Meer und Mündung wird behindert
• Veränderung des Salzgehalts in der Mündung –> Gefahr für die Tiere

Question 19

Meeresströmungskraftwerk

Answer 19

Dem Wasser wird Strömungsenergie entzogen.

In-Flow-Gezeitenkraftwerk: in Mündungen mit großen Tidenhub.

Question 20

Vorteile der Meeresströmungskraftwerk

Answer 20

• Strömungen sind nur wenig wetterabhängig und gut vorhersagbar.
• geringe Strömungsgeschwindigkeiten nutzbar –> Wasser hat hohe Dichte im Vergleich zu Luft.
• kein sichtbarer Eingriff in Landschaftsbild
• langsam drehende Rotoren für Fische und Meerestiere ungefährlich.

Question 21

Nachteile der Meeresströmungskraftwerk

Answer 21

• wenig Erfahrungen, hohe Investitionskosten
• komplexe Installation
• Korrosionsbelastung durch Salzwasser
• Umweltauswirkungen für Meerestiere noch nicht ausreichend erforscht.

Question 22

Wie werden Wellen erzeugt?

Answer 22

Durch die Reibung des Winds an der Wasseroberfläche

Question 23

Technologien der Wellenkraftwerken

Answer 23

• Oscillating Water Column-Anlage (OWC)

- Seeschlange

Question 24

Unterschied zwischen Gezeitenkraftwerk und Wellenkraftwerk

Answer 24

Der Tidenhub wird nicht zwecks Nutzung der Energiedifferenz zwischen Ebbe und Flut ausgenutzt, sondern die kontinuierliche Wellenbewegung.

Question 25

Funktionsprinzip der OWC-Anlage

Answer 25

Wellen setzen Luft in
Kompressionskammern in Bewegung.
Beim Anstieg der Wasserspiegels in der
Kammer expandiert die komprimierte Luft durch eine Turbine in die Umgebung
Beim Absinken des Wasserspiegels wird Luft durch die Turbine angesaugt.
Kleine Hübe und Geschwindigkeiten des
Wassers erzeugen bei einem kleinen Auslass hohe Luftgeschwindigkeiten

Alternativ:
jede Welle drückt das Wasser in kaminartige Betonröhren und zieht es dann bei einem Wellental wieder heraus. Am oberen Ende münden die Röhren in Turbinen. Durch die sich auf und ab bewegende Wassersäule wird die Luft in den Röhren abwechselnd komprimiert bzw. angesaugt. Dadurch entsteht im Auslass ein schneller Luftstrom, der eine Wells-Turbine antreibt.

Question 26

Wells-Turbine

Answer 26

Rotorprofile sind symmetrisch, dadurch:

• gleiche Drehrichtung, unabhängig von Anströmungsrichtung.
• geringere aerodynamische Effizienz

Question 27

OWC-Anlagen Vorteile

Answer 27

+ Turbine kommt nicht mit Salzwasser im Kontakt

- einfache Wartung der Turbine

Question 28

OWC-Anlagen Nachteil

Answer 28

hohe Geräuschemissionen

Question 29

Funktionsprinzip der Seeschlange

Answer 29

Kopplung von Auftriebskörpern über Hydraulikgelenke.

Anordnung schwimmt senkrecht zum Wellenkamm und ist mit Kabel am Meeresboden befestigt.

Die Energie der Relativbewegung zwischen den Schlangensegmenten wird auf hydraulische Pumpen übertragen und schließlich an einen Generator abgegeben.

Question 30

Vorteile der Seeschlange

Answer 30

+ einfache, kostengünstige Installation

+ widerstandsfähig gegen Stürme

Question 31

Osmosekraftwerk

Answer 31

Diffusion von Teilchen durch eine semi-permeable Membran.

Bei Osmosekraftwerken wird eine [semi‑permeable] Membran eingesetzt. Die Membran ist für [das Lösungsmittel] durchlässig.
Im Gleichgewicht entspricht der hydrostatische Druck dem osmotischen Druck. Salz- und Süßwasser entsprechen der Lösung mit hoher bzw. niedriger Konzentration. Osmose bewirkt Druckanstieg im [Salzwasser]-Kreislauf

Osmose bewirkt Druckanstieg im Salzwasser-Kreislauf.

Alternativ:
Kraftwerk, das den Unterschied im Salzgehalt zwischen Süßwasser und Meerwasser nutzt, um daraus Energie zu gewinnen und Strom zu erzeugen.

Die Quelle der Energie für ein Osmosekraftwerk ist der Unterschied im Salzgehalt (der Salzgradient) zweier Lösungen, die dazu tendieren, ihre Konzentrationen auszugleichen. Die Treibkraft hier ist das chemische Potential.
Stehen Süß- und Salzwasser über eine semipermeable Membran miteinander in Kontakt, diffundiert reines Wasser durch die Membran zur Salzwasserseite (Osmose).

Question 32

Prinzip der Osmose

Answer 32

≡ U-Rohr mit unterschiedlich konzentrierten Lösungen

≡ Lösungen sind getrennt durch eine semi-permeable Membran: für das
Lösungsmittel (Wasser) durchlässig

≡ Wasser fließt von der Seite geringerer Konzentration durch die Membran zur
Seite mit der hohen Konzentration (Triebkraft: chemisches Potential)

≡ Im Gleichgewicht entspricht der hydrostatische Druck dem osmotischen Druck