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Wasserkr. Flashcards

(88 cards)

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1
Q

Beschreibe die ganz grundsätzliche Funktionsweise eines Wasserkraftwerkes!

A

Ein Wasserkraftwerk nutzt die potenzielle Energie des Wassers und wandelt diese in mechanische Energie und schließlich in Elektrizität um.

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Q

The Water Cycle
-> siehe slide 4 und in Zsmf.!!

A

…

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3
Q

Wasserbestände:
- 1,4 x 10^9 km^3
- 0,001 % Wasserdampf in der Atmosphäre
- 2,15% Eis
- 97,8% flüssiges Wasser, hauptsächlich Salzwasser

A

…

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4
Q

Wasserkreislauf - globale Niederschläge

Sehr hohe Niederschlagswerte vor allem wo?

A

am Äquator

-> siehe über das Jahr gemittelte Werte für globale Niederschläge auf slide 5

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5
Q

Energiepotential des Wassers

Aufgrund von Schwerkraft fließt Wasser einen Fluss hinunter und hat unterschiedliche kinetische und potentielle Energien an verschiedenen spezifischen Punkten

A

…

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6
Q

Energiepotential des Wassers

Zur Berechnung der Energie kann ein stationärer, reibungsfreier Fluss angenommen werden:

Bernoulli: Gleichung für den hydrostatischen Druck
-> siehe Karteikarte oder slide 6

A

…

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7
Q

Energiepotential des Wassers (Bernoulli)

Herleitung (slide 7)

Annahme dann, dass für einen Fluss (also ohne Stauung o.Ä.) die Geschwindigkeit und der Druck entlang des Flusses sich nicht ändert.
-> die nutzbare Höhe ist die Differenz der geodätischen Höhe

hnutzbar = (h1 - h2)

Leitung und Energie
-> Potentielle Energie: E = m x g x h
-> Leistung: P = mPunkt x g x h

Wie kann die Leistung des Wassers und die potentielle Energie des Wassers berechnet werden?

A

Leistung:

Pwa = mPunktwa x g x (h1 - h2)

Potentielle Energie:

E = Vwa x rohwa x g x (h1 - h2)

-> wa: Wasser

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8
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks

Beschrifte Abbildung auf slide 8!!!

A

…

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9
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Rohrleitung

Stellt die Verbindung zwischen ?(1)? und ?(2)? dar.

Weitere Umwandlung von ?(3)? in ?(4)?.

Energieverluste durch ?(5)?.

A

(1) Einlass

(2) Turbine

(3) potentieller Energie

(4) Druckenergie

(5) Reibung

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9
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung des Zulaufs

Beschrifte Abbildung slide 9!

A

…

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9
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung des Zulaufs

?(1)? am Eingang des Zulaufs gegen schwimmende Gegenstände.

?(2)? wird bei Wartungsarbeiten genutzt, um Zulauf zu schließen.

Das ?(3)? stoppt den Durchfluss bei Unfällen o.Ä.

A

(1) Rechen (Sieb)

(2) Dammbalkenverschluss

(3) Schnellschlussventil

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10
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Rohrleitung

Optimierungsmöglichkeiten zur Reduzierung von Energieverlusten durch Reibung?

A

Durchmesser der Rohrleitung erhöhen –> ABER: erhöht die Kosten(!)

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11
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Rohrleitung

?? besitzen keine Druckleitungen, das Wasser fließt direkt aus dem Einlass in die Turbine.

A

Laufwasserkraftwerke

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12
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Turbine

Umwandlung der ?(1)? in ?(2)?

A

(1) Druckenergie

(2) mechanische Energie

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13
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Turbine

Der Turbinenwirkungsgrad etaT umfasst die auftretenden Verluste, bedingt durch: ??

A

Volumenänderung

Turbulenzen

Reibung

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14
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung der Turbine

Wie kann die Leistung einer Turbine (PTurbine) berechnet werden?

A

PTurbine

= etaTurbine x g x mPunktwa x hnutzbar

= etaTurbine x Pwa,act

Pwa,act: Leistung Wasser

hnutzbar -> nutzbare Höhe (immer höherer Punkt - niedrigerer)

eta Turbine: Turbinenwirkungsgrad
(–> umfasst auftretende Verluste, bedingt durch die Volumenänderung, Turbulenzen, Reibung)

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15
Q

Beschreibe die Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerkes!

A
  1. Zulauf:
    -> partielle Umwandlung potentielle Energie in kinetische Energie (Energieverluste)
  2. Druckrohrleitung (nicht in jedem Wasserkraftwerk*1):
    -> weitere Umwandlung von potentieller Energie in Druckenergie
    -> Energieverluste durch Reibung
  3. Turbine:
    Umwandlung der Druckenergie*2 in mechanische Energie
    -> Verluste durch Volumenänderung, Turbulenzen, Reibung
  4. Auslass:
    Rohrauslass ist im Durchmesser größer als hinter Turbine
    -> reduziert Druck hinter Turbine
    -> verringert Verwirbelungen und damit die daraus resultierenden Verluste
    -> effizientere Ausnutzung der Fallhöhe (pot. Energie)

*1 –> Laufwasserkraftwerke besitzen keine Druckleitungen, das Wasserr fließt direkt aus dem Einlass in die Turbine!

*2 –> Niederdruckturbinen arbeiten hier eher mit kinetischer Energie

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16
Q

Energieumwandlung entlang eines Wasserkraftwerks - Betrachtung des Auslasses

Turbinen- und Saugrohrauslass besitzen das gleiche ?(1)?.

Der Rohrauslass ist im Durchschnitt ?(2)? als direkt hinter der Turbine. Der Querschnitt vergrößert sich kontinuierlich über den Saugrohrauslass. Hierdurch verringert sich auch die Geschwindigkeit kontinuierlich.

Da sich Geschwindigkeit und Druck immer ?(3)? zueinander verhalten, nimmt der Druck zum Auslass hin zu. Der Umgebungsdruck im Wasser kann nicht verändert werden und liegt vor. Durch den Saugrohrauslass hat man es aber geschafft, hinter der Turbine einen geringen Druck zu erzeugen, wodurch die Druckdifferenz zwischen vor und hinter der Turbine größer ist. Hierdurch kann die Turbine mehr Energie umwandeln.

Kurz: Reduzierung der Verluste aufgrund von Verwirbelungen und damit effizientere Ausnutzung der Fallhöhe.

A

(1) geodätische Niveau

(2) größer

(3) antiparallel

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17
Q

Wie lautet die Formel zur Berechnung der Gesamtleistung eines Wasserkraftwerks?

A

Ptotal =

Pwa,act x
etaTurbine x
etaGenerator x etaTransformator

Pwa,act: Leistung des Wassers
eta: Wirkungsgrad

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18
Q

Anlagentechnik (quasi allg. Aufbau Wasserkraftwerk)

-> Zeichne und beschrifte slide 15!!

A

…

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19
Q

Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen

Welche möglichen Klassifizierungen sind gebräuchlich? (2)

A

Klassifizierung anhand der Druckstufe:
- Niederdruckanlagen
- Mitteldruckanlagen
- Hochdruckanlagen

Klassifizierung in:
- Laufwasserkraftwerke
- Speicherwasserkraftwerke

Zusammenhang siehe slide 16!

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20
Q

Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen

Niederdruckanlagen wie unterteilt werden?

A

Ausleistungskraftwerke

Flusskraftwerke:
- Buchtenkraftwerke
- Pfeilerkraftwerke
- überströmte Kraftwerke
- zusammenhängende Kraftwerke

–> Sind i.d.R. Laufwasserkraftwerke

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21
Q

Wasserkraftanlagen - Kategorisierung & Konstruktionstypen

Wie ist die Zuteilung von Niederdruckanlagen, Mitteldruckanlagen und Hochdruckanlagen in die Kategorisierung nach Laufwasserkraftwerke oder Speicherwasserkraftwerke.

A

Niederdruckanlagen sind i.d.R. immer Laufwasserkraftwerke

Mitteldruckanlagen sind meist Speicherwasserkraftwerke, können bei kleineren Anlagen auch Laufwasserkraftwerke sein

Hochdruckanlagen sind immer Speicherwasserkraftwerke

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22
Q

Hochdruckanlagen sind im Allgemeinen immer Speicherwasserkraftwerke.

Wahr/Falsch?

A

Wahr

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23
Was charakterisiert Niederdruckanlagen?
Charakterisiert durch großflächige Flüsse und geringes Gefälle bis zu 20m
24
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Ausleitungskraftwerk Beschreibe und skizziere grob den Aufbau eines Ausleitungskraftwerkes! Nenne auch einen Vorteil dieses Kraftwerkstyps ggü. einem Flusskraftwerk.
Beschreibung: - Umleitung des Wassers bei einem Wehr in einen Kanal -> Wehr dient als Absperrbauwerk, welches das Volumen des Oberwassers reguliert - Leitung des Wassers durch einen Oberwasserkanal o.Ä. zur Anlage und anschließende Rückführung am Ende der Umleitung in den Fluss - Anlage ist außerhalb des Flussbettes - Die sogenannte Restwassermenge verbleibt im ursprünglichen Flussbett -> hier müssen hinsichtlich der Menge ökologische und ökonomische Kriterien erfüllt werden Skizze siehe slide 18!! Vorteil: Anlage ist außerhalb des Flussbettes (weniger Aufwand bei Errichtung)
25
Wo befindet sich die Wasserkraftanlage bei: 1) Ausleitungskraftwerken 2) Flusskraftwerken
1) Außerhalb des Flussbettes (bei Oberwasserkanal) -> Vorteil: weniger Aufwand 2) Im Flussbett
26
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Flusskraftwerk Beschreibe grob den Aufbau eines Flusswasserkraftwerkes! --> Nenne auch die unterschiedlichen Bauweisen und Ausprägungen! Zeichne sowohl allgemeine Skizze also auch jeweils ein Schema für jede Bauweise/Ausprägung!
Beschreibung: Die Anlage befindet sich mit dem Wehr im Flussbett Unterschiedliche Bauweisen der Kraftwerke und Wehre möglich: - zusammenhängende Kraftwerke --> konventionelles Block Design --> eingelassenes Block-Design bzw. Buchtenkraftwerk - aufgelöste Kraftwerke -> zwei-geteiltes Block-Design -> Pfeilerkraftwerke - überströmte Kraftwerke (unterhalb der Wasseroberfläche) Skizze siehe slide 19 + die einzelnen Bauweisen auf slide 20 (!)
27
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Flusskraftwerk Nenne Vorteile eines Flusskraftwerkes! (3)
Vorteile für: - Hochwasserschutz - Wasserführung - Grundwasserstabilisation
28
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Flusskraftwerk Bauweise: zusammenhängende Kraftwerke Beschreibe und skizziere (Schema) das konventionelle Block Design! -> Welche Beschränkung gibt es?
Die Längsachse des Wehr steht senkrecht zum Flusslauf Turbine wird vertikal oder horizontal durchflossen Kraftwerke befinden sich üblicherweise in Bögen, aufgrund der geringen Bettlast am äußeren Flussufer Beschränkung: Wasser muss auch bei höchster Flut durch die Stauwehrabschnitte gefördert werden können (ohne Hochwasser) Skizze (Schema und ausführliche Abbildung) slide 21
29
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Flusskraftwerk Bauweise: zusammenhängende Kraftwerke Beschreibe und skizziere (Schema) das eingelassene Block-Design (bzw. Buchtenkraftwerk)! Nenne auch einen Nachteil!
Die Station wird außerhalb des ursprünglichen Flussbettes in einer künstlich angelegten Bucht aufgestellt Dies ist vor allem in schmalen Flüssen notwendig, damit der Damm die gesamte Breite als Flutkanal nutzen kann. Nachteil: künstliche Herstellung der Bucht sehr aufwendig Skizze slide 22
30
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Flusskraftwerk Bauweise: aufgelöste Kraftwerke Beschreibe und skizziere (Schema) das zweigeteilte Block-Design!
Die Kraftwerksblöcke liegen zu beiden Seiten des Flusses Anwendung v.a. an Grenzflüssen, damit beide Länder getrennt Energie erzeugen können. Skizze slide 23
31
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Flusskraftwerk Bauweise: aufgelöste Kraftwerke Beschreibe und skizziere (Schema) ein Pfeilerkraftwerke (Installation in Brückenpfeiler)! Nenne auch zwei Vorteile dieser Bauweise!
Die mechanische Implementierung und damit das Kraftwerk sind in den Pfeilern integriert, die die Tore der Staustufe stützen Vorteile: - günstige Fließeigenschaften - platzsparendes Design
32
Niederdruckanlagen (niedriges Gefälle) - Flusskraftwerk Bauweise: überströmte Kraftwerke (unterhalb der Wasseroberfläche) Beschreibe und skizziere (Schema)! Nenne einen Vor- und einen Nachteil!
Kraftwerk und Damm sind in einem Block verbaut Vorteil: - Keine Landschaftsveränderungen durch das Kraftwerk - oberhalb des Wasserstandes sind kaum Anlagenteile sichtbar Nachteil: - Platzbedarf von Maschinen und des Wehr werden reduziert
33
Mitteldruckanlagen (mittleres Gefälle) Wodurch sind diese Wasserkraftanlagen gekennzeichnet?
Werden nur als Staustufen gebaut Hauptsächlich bestehend aus Damm und einem Kraftwerk Anlagen nutzen das durch das Wehr künstlich erzeugte Gefälle von 20-100m Das Wasser wird teilwiese durch ein Reservoir bereitgestellt (Wassermanagement) Teilweise als Ausleitungskraftwerk umgesetzt
34
Hochdruckanlagen (hohes Gefälle) Wodurch sind diese Wasserkraftanlagen gekennzeichnet?
Gefälle beträgt zwischen 100 und 2000m -> Vorkommen: niedrige-hohe Gebirgszüge Mit einem Speicherreservoir ausgestattet geringe Durchflussraten -> Leistung auf hohes Gefälle (hohen Druckunterschied) zurückzuführen
35
mittlere Gefälle -> ?? m hohes Gefälle -> ?? m
mittlere Gefälle -> 20-100 m hohes Gefälle -> 100-2000 m
36
Hochdruckanlagen (hohes Gefälle) Skizziere eine solche Wasserkraftanlage!
siehe Abbildungen slide 27!!!
37
Anlagentechnik - Komponenten Damm, Wehr oder Stauanlage 1) Aufstauen des Wasser, um? Bestehend aus festen Wehren, Erde, Felsbögen, Mauerwerk oder Beton 2) Vor dem Sperrwerkt liegt was? 3) Damm und Überlauf müssen was ausgleichen können? 4) In Laufwasserkonstruktionen müssen Stauanlagen und Wehre mit beweglichen Toren eingesetzt werden, um?
1) eine kontrollierte Wasserversorgung des Kraftwerkes zu ermöglichen 2) Speicherreservoir 3) Überflutungen und Niedrigwasser 4) den Wasserspiegel konstant zu halten
38
Anlagentechnik - Komponenten - Wehrverschlüsse 1) Nenne zwei Wehrverschlüsse ! 2) Welcher hat sich zunehmend durchgesetzt?
1) fish-belly Überlauf Aufblasbarer Damm 2) aufblasbarer Damm (in jüngster Vergangenheit
39
Anlagentechnik - Komponenten - Wehrverschlüsse Beschreibe kurz den fish-belly Überlauf?
Werden hydraulisch oder mechanisch durch Ketten angetrieben. Bei einer Flut werden sie auf Höhe des Damms abgesenkt. (skizze slide 29)
40
Anlagentechnik - Komponenten - Wehrverschlüsse Beschreibe kurz den Aufblasbaren Damm?
Besteht aus einer sehr festen, mehrschichtigen Gummimembran und ist mit Luft oder Wasser gefüllt. Eine angeschlossene Pumpe reguliert das Niveau des Dammes. (skizze slide 29)
41
Anlagentechnik - Komponenten - Reservoir Berge schaffen natürliche Bedingungen für die ?(1)?. Solche natürlichen oder künstlichen Seen funktionieren als Tages-, Wochen-, Monats und Jahresspeicher. Sie schaffen ein Ausgleich zwischen dem ?(1)? und dem ?(3)?. Pumpspeicherkraftwerke können außerdem vorübergehend ?(4)? speichern. Der verzögerte Abfluss aus den Stauseen während der Niedrigwasserperioden im Winter trägt ebenfalls zu einer erhöhten Strömung (durch gutes Wassermanagement) in den unteren Flüssen und damit zu einer erhöhten Stromerzeugung in den dort installierten Kraftwerken bei.
(1) Wasserspeicherung (2) fluktuierenden natürlichen Wasserangebot (3) variablen Bedarf an elektrischer Energie (4) Überschussenergie
42
Anlagentechnik - Komponenten - Reservoir Abbildungen slide 30 zuordnen können...
...
43
Anlagentechnik - Komponenten - Zulauf Beschreibe Aufbau und Funktion kurz!
Verbindet das Oberwasser mit der Druckleitung Am Eingang finden sich Rechen die schwimmende Gegenstände aufhalten. Tore und Schnellschlussventile, um den Zufluss für das Kraftwerk während Wartungsarbeiten oder bei Notfällen zu unterbrechen. ((Für sehr kleine Wasserkraftwerke sind diese Tore nicht notwendig oder nur als einfache Rutschtore ausgebildet)
44
Anlagentechnik - Komponenten - Rohrleitung Wasser aus dem Reservoir fließt direkt über den Zulauf oder vorher durch einen Kopfkanal, Tunnel oder Rohre in die Turbine. Es ist wichtig die Verluste so gering wie möglich zu halten -> ?(1)? Durchmesser und Geometrie Falls nötig kann ?(2)? vor der Rohrleitung integriert werden -> Zur Reduktion von Wasserschlägen oder Druckfluktuationen während hoch- und runterfahren der Anlage In Laufwasserkraftwerken mit ?(3)? Höhen fließt das Wasser direkt über den Zulauf in die Turbine -> keine Tunnel, Wasserschlösser oder Rohrleitungen Rohrleitungen werden meistens aus einzelnen Rohren aus gewalzten Stahlrohren gebaut. -> auch Stahlbeton oder Stahlrohren möglich Leitungen können als offener (druckloser) Kanal oder als Nieder- oder Hochdruckrohr ausgeführt werden. In kleinen Wasserkraftanlagen können andere Stoffe verwendet werden (PCV oder Holzrohre)
(1) große (2) Wasserschloss (3) niedrigen
45
Anlagentechnik - Komponenten Das ?? beinhaltet die Hauptkomponenten des Wasserkraftwerkes
Kraftwerksgebäude
46
Anlagentechnik - Komponenten - Kraftwerksgebäude Beinhaltet die Hauptkomponenten des Wasserkraftwerkes: ?? (6)
Hauptkomponenten: - Turbine - ggf. Getriebe - Generator - Steuerungssystem - Transformator und Netzanschluss - ggf. Not-Stop Ventil für die Rohrleitungen (siehe slide 35)
47
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen ?(1)? Maschine, die die Energie des Wassers in ?(2)? umwandelt. Vielzahl an Turbinentypen vorhanden, abhängig von den ?(3)?, ?(4)? und daraus resultierenden ?(5)? und ?(6)?
(1) Hydraulische (2) Rotationsenergie (3) Fallhöhen (4) Abflüssen (5) Drücken (6) Geschwindigkeiten
48
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen Turbinentypen können grundsätzlich klassifiziert werden nach? (2) --> Nenne jeweils Beispiel-Turbinentypen zu jeder Kategorie
Überdruckturbinen (bzw. Reaktionsturbinen) -> z.B. Francis-, Kaplan-, Rohr- oder Strafloturbine Gleitdruckturbinen (bzw. Aktionsturbinen) -> z.B. Peltonturbine
49
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen Beschreibe die Funktionsweise von Überdruckturbinen (bzw. Reaktionsturbinen)!
Wandeln die potentielle Energie überwiegende in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie gewandelt wird
50
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinen Beschreibe die Funktionsweise von Gleitdruckturbinen (bzw. Aktionsturbine)!
Umwandlung der Lage- und Druckenergie des Wassers vor der Turbine durch die Wasserführung vollständig in Geschwindigkeitsenergie und anschließend in Rotationsenergie -> Druck vor und nach der Turbine sind gleich und entsprechen fast dem Atmosphärendruck
51
Wesentlicher Unterschied zwischen Überdruckturbinen (Reaktionsturbinen) und Gleitdruckturbine (Aktionsturbine)?
Bei Gleitdruckturbine ist der Druck vor und nach der Turbine gleich. Anders als bei der Überdruckturbine wird hier nicht mit der Druckenergie Energie gearbeitet, sondern mit der kinetischen Energie (bzw. Geschwindigkeitsenergie). (weil Lage- und Druckenergie des Wasser wird vor der Turbine durch Wasserführung vollständig in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt)
52
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Ordne Pelton, Kaplan vertikal, Kaplan horizontal und Francis nach Nutzhöhen aufsteigend!
Kaplan horizontal (2-20m) < Kaplan vertikal (10-60m) < Francis (30-700m) < Pelton (600-2000m)
53
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Vergleich der Wirkungsgrade verschiedener Turbinentypen bei Teillast. Beschrifte slide 37!!
...
54
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Kaplan-Turbine Beschreibe das Arbeitsprinzip der Kaplan-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- Arbeitet wie ein umgedrehter Propeller. Die Flussrichtung des Wassers ist axial durch die Turbine Der Wasserfluss wird umgeleitet -> höhere Verluste Verstellbare Leitschaufeln und verstellbare Laufradschaufeln (doppelt regulierbare Turbine) -> bessere Anpassung an unterschiedliche Durchflussmengen und damit einen höheren Wirkungsgrad Skizze siehe slide 39!
55
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Rohrturbine Beschreibe das Arbeitsprinzip der Rohrturbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- - sind wie Kaplanturbinen, die jedoch horizontal durchströmt werden -> hier keine Richtungsänderung und somit weniger Verluste - Der Generator sitzt vor der Turbine hermetisch abgeschlossen - doppelt regulierbare Turbine Skizze slide 41!
56
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Straflo-Turbine Beschreibe das Arbeitsprinzip der Straflo-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- - externer Ringgenerator bei dem der Rotor als Ring auf dem Laufrad sitzt - Vor und hinter der Turbine sind nur die Lager untergebracht Skizze slide 42!
57
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Straflo-Turbine Nenne einen Vor- und einen Nachteil dieses Turbinentypes!
Vorteil: Sehr flache Wirkungsgradkurve -> hoher Wirkungsgrad über großen Durchflussbereich Nachteil: Hohe Kosten für die Abdichtung zwischen Rotor und Stator
58
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Francis-Turbine Benenne und beschreibe das Arbeitsprinzip der Francis-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze.
Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- Arbeitsprinzip: Überdruckturbine (bzw. Reaktionsturbine) -> wandelt die potentiell Energie überwiegend in Druckenergie um, welche durch die Turbine in Rotationsenergie umgewandelt wird --- Beschreibung: - Flussrichtung wird umgelenkt von radial zu axial (vertikal) durch die Turbine - durch diese Umleitung des Wasserflusses entstehen höhere Verluste - im Gegensatz zur Kaplan-Turbine (doppelt) nur einfach regulierte Turbine über verstellbare Leitschaufeln (feste, starre Laufradschaufeln) (Ziel sind hohe Drehzahlen -> geringeres Drehmoment an der Turbine -> kleinere Abmessungen -> Turbinengröße und Kraftwerkskomponenten können reduziert werden) Skizze slide 43!
59
Anlagentechnik - Komponenten - Turbinentypen Pelton-Turbine (wichtig) Beschreibe das Arbeitsprinzip der Pelton-Turbine, falls notwendig benutzte eine Skizze. Wie wird dieses Arbeitsprinzip genannt?
Arbeitsprinzip: Gleichdruckturbine (bzw. Aktionsturbine) Umwandlung der Lage- bzw. Druckenergie des Wassers in kinetische Energie (bzw. Geschwindigkeitsenergie) (-> welche anschließend dann in Rotationsenergie gewandelt wird) Beschreibung: - Wasserfluss wird über eine oder mehrere Düsen gesteuert -Wasser wird in einem Strahl auf die Schaufelblätter geschossen - Nach Umwandlung in mechanische Energie tropft das Wasser in ein Unterbecken (Skizze slide Zsmf!)
60
Vergleiche Kaplan-Turbine (mit und ohne spitalförmigen Einlauf), Rohrturbine, Straflo-Turbine, Francis-Turbine und Peltonturbine hinsichtlich 1) Einsatzbereich (+Nennfallhöhe) und 2) Wirkungsgrad!
Kaplan-Turbine: 1) hauptsächlich in Flusskraftwerken, bei Nennfallhöhe bis 60m mit stark fluktuierenden Wassermengen 2) Hoher Wirkungsgrad innerhalb eines Wasserdurchflusses von 30-100% Rohrturbine: 1) in Flusskraftwerken, Nennfallhöhe bis 25m 2) Hoher Wirkungsgrad in weitem Stellbereich des Durchflusses (--> wie Kaplanturbine, jedoch horizontal durchströmt ohne Richtungsänderung -> weniger Verluste) Straflo-Turbine: 1) in Flusskraftwerken, Nennfallhöhe bis 50m 2) sehr flache Wirkungsgradkurve -> hoher Wirkungsgrad über großen Durchflussbereich Francis-Turbine: 1) in Speicher- und Flusskraftwerken, bei mittleren Nennfallhöhen bis 700m und konstantem Durchfluss 2) Hohe Wirkungsgrade erst ab 60% vom Auslegungsdurchfluss erreichbar (-> Guter Wirkungsgrad von 60 - 100% Wasserdurchfluss) Peltonturbine: 1) in Speicherkraftwerken, für hohe Nennfallhöhe bis 2000m und geringe Wassermengen wirtschaftlich 2) Sehr flache Wirkungsgradkurve bereits ab 10-100% Nenndurchfluss
61
Im Gegensatz zur Kaplan-Turbine handelt es sich bei der Francis-Turbine nicht um eine doppelt regulierbare Turbine. Wahr/Falsch?
Wahr -> bei der Francis-Turbine nur die Leitschaufeln verstellbar. Die Laufradschaufeln sind dagegen fix -> daher erst gute Wirkungsgrade bei Wasserdurchflussraten von 60-100%
62
Bei der Francisturbine können die Laufräder höhere Drehzahlen aushalten als bei der Kaplan-Turbine. Wahr/Falsch?
Wahr (weil starr fixiert an der Turbine)
63
Bei der Francisturbine wird häufig mit hoher Drehzahl und geringem Drehmoment an der Turbine gearbeitet. Wahr/Falsch?
Wahr -> dadurch kleinere Abmessungen, sodass Turbinengröße und Kraftwerkskomponenten reduziert werden können
64
Anlagentechnik - Komponenten - Auslass Am Auslass fließt das Wasser aus der ?(1)?. Bei Überdruckturbinen wird ein ?(2)? verwendet, welches bis zum Unterwasser reicht. Der Durchmesser des ?(2)? steigt an und hat die Form eines ?(3)?. -> Die Geschwindigkeit wird ?(4)? -> Der Druck am Auslass, kurz vor dem Oberwasser ?(5)? -> ?(6)? Umwandlung der kinetischen Energie in statischen Druck -> Steigerung des ?(7)?, vor allem bei kleinen Fallhöhen -> weniger Kavitation
(1) Turbine (2) Saugrohr (3) Diffusors (4) reduziert (5) steigt (weil immer antiparallel zur Geschw.) (6) Verlustarme (7) Wirkungsgrades
65
Anlagentechnik - Komponenten - Welle und mechanische Getriebe Turbine und Generator können ?(1)? werden oder ?(2)? verbunden sein.
(1) direkt gekoppelt (2) über ein Getriebe
66
Anlagentechnik - Komponenten - Welle und mechanische Getriebe Bei großen Anlagen sind Turbine und Generator direkt gekoppelt. Wahr/Falsch?
Wahr
67
Anlagentechnik - Komponenten - Welle und mechanische Getriebe In kleinen Anlagen werden oft Getriebe eingesetzt, um?
Die Drehzahl zu erhöhen und standardisierte und effiziente Generatoren verwenden zu können
68
Anlagentechnik - Komponenten - Generator Umwandlung der ?(1)? Energie in ?(2)? Energie. Nutzung von ?(3)? und ?(4)? Generatoren.
(1) mechanischen (2) elektrische (3) synchronen (4) asynchronen
69
Anlagentechnik - Komponenten - Generator Synchrone Generatoren werden genutzt, wenn?
Das Kraftwerk ein Inselnetz speist oder ein Hauptkraftwerk im Netz ist -> Regelung der Spannung und Lieferung von Blindleistung
70
Anlagentechnik - Komponenten - Generator Asynchron Generatoren laufen nur im?
Netzparallelbetrieb
71
Anlagentechnik - Komponenten - Generator Der Wirkungsgrad in kleinen Anlagen liegt zwischen ?(1)? % bei Nennleistung. In großen Anlagen können höhere Wirkungsgrade erreicht werden, zwischen ?(2)? %
(1) 90 - 95% (2) 95 - 99%
72
Anlagentechnik - Komponenten - Transformator Konvertiert die Spannung von einem ?(1)? zu einem ?(2)? Level Wirkungsgrad von bis zu ?(3)?
(1) niedrigen (2) hohen (3) 99% (Generatoren haben immer eine niedrigere Spannung als das Netz (zu hoher Aufwand für Isolation auf kleinem Bauraum))
73
Generatoren haben immer eine niedrigere Spannung als das Netz (zu hoher Aufwand für Isolation auf kleinem Bauraum Wahr/Falsch?
Wahr
74
(Energie-)Umwandlungskette bei Wasserkraftanlage Beschreibe die Kette!
1. Wandlung der potentiellen Energie (des am Wehr anstehenden Wassers) in kinetische Energie & Druckenergie (innerhalb der Druckleitung) -> kinetische Energie bei Gleitdruckturbinen (z.B. Peltonturbine) -> Druckenergie bei Überdruckturbinen (z.B. Francis- oder Kaplan-Turbine) 2. Wandlung der kinetischen Energie und Druckenergie in mechanische Energie (durch Turbine, auch wieder je nach Turbinentyp kinetisch oder Druck) 3. ggf. Umwandlung der mechanischen Energie in mechanische Energie (Änderung Drehmoment und Drehzahl durch Getriebe) 4. Umwandlung mechanische Energie in elektrische Energie (durch Generator) 5. Meist elektrische - elektrische Umwandlung (Änderung Spannungsniveau durch Transformator)
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Übersicht über die Energieverluste über die Umwandlungskette hinweg. Siehe slide 53!!
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Umwandlungskette Verluste treten am Einlass, Rechen und in den Rohrleitungen durch Reibung auf Weiterer Verlust ist der Wasserüberlauf am Damm, vor allem während Hochwasserzeiten Die hydraulische Verluste sind stark Standort- und Kraftwerksspezifisch und betragen bis einige Prozent Bei Nennleistung liegt der Wirkungsgrad um die ?(1)? %, in sehr günstigen Fällen sogar bei ?(2)? %. Wirkungsgrade aufgrund von Teillast (vorwiegend im Jahr): - Moderne Anlagen zwischen ?(3)? % über Jahr gemittelt - alte Anlagen im Bereich zwischen ?(4)? % (gemittelt)
(1) 80% (2) 90% (3) 70 - 85% (4) 50 bis 70%
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Umwandlungskette - Schematischer Betriebsplan eines typischen Laufwasserkraftwerks siehe slide 55!
Auch in dieser grundlastfähigen erneuerbaren Energie wird ein Einfluss des Klimawandels spürbar werden.
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Umwandlungskette - Leistungsdiagramm eines kleineren Laufwasserkraftwerks mit nur einer installierten Turbine -> siehe slide 56
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Entwicklung der Bruttostromerzeugung und der installierten Leistung von Wasserkraftanlagen in Deutschland
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Wirtschaftlichkeitsanalyse Die SPEZIFISCHEN Investitionskosten €/kW sind ?(1)? mit zunehmender Fallhöhe.
(1) abnehmend -> siehe slide 59!
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Wirtschaftlichkeitsanalyse Neubau, Renovierung, Maschinen -> slide 60
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Wirtschaftlichkeitsanalyse Welche Kosten fallen an?
Baukosten, Kosten für Maschinenbau, Kosten für elektrische Einrichtung, bauliche Nebenkosten, Baunebenkosten, Gemeinkosten, Bauzinsen -> Details zur Aufteilung slide 61
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Wirtschaftlichkeitsanalyse 10-20% der Investitionskosten für ?(1)?. 1-4% der Investitionskosten pro Jahr für ?(2)?
(1) ökologische Ausgleichsmaßnahmen (2) Betriebskosten
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Höhere Fallhöhen führen zu geringeren spezifischen Kosten. Wahr/Falsch?
Wahr
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Volllaststunden und Stromgestehungskosten MW-Bereich: 5500-6000 Volllaststunden -> ?(1)? ct/kWh einige 100kW Bereich: 5000-6000 Volllaststunden -> ?(2)? ct/kWh Kleinstanlagen: 4500 - 5500 Volllaststunden -> ?(3)? ct/kWh
(1) 4-6 ct/kwh (2) 7-9 ct/kWh (3) 10 - 17 ct/kWh
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Technische Lebensdauer Bauliche Anlagen: ?? Maschinen und elektr. Anlagen: ??
Technische Lebensdauer Bauliche Anlagen: 60-80 Jahre Maschinen und elektr. Anlagen: 30-40 Jahre

Umw (27 decks)

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