Wasserkraft Flashcards
Geschichte der Wasserkraft
• Antike: Antrieb von Mühlrädern sowie von Hammerschmieden
• Mittelalter: Wasserräder aus Holz mit maximaler Leistung von 37 KW
• 17. Jh. : Entwicklung des ersten Wasserrads aus Gusseisen (John Smeaton,
1724 - 1792)
• Industrielle Revolution: entscheidend für Wachstum der Textil-, Leder und
Fertigungsindustrie
• 19. Jh.: Entwicklung von Wasserturbinen und Umwandlung in elektrische
Energie
• Wasserkraft erfordert umfangreiche Baumaßnahmen wie Stauseen, Dämme,
Umgehungskanäle, etc.
-> Wasserkraft stellt die älteste, menschlich genutzte
regenerative Energiequelle dar!
Wasserkraft
Regelarbeitsvermögen (RAV) [Wh]
▪ Maß für Stromerzeugung
▪ Jährliche Stromerzeugung
▪ Abhängig von Gewässer und Art der
Wasserkraftanlage
Bestimmung des RAV
Gewässerdaten
▪ Wasserdargebot
▪ Jahreszeitliche Verteilung
▪ Trends infolge von Klimawandel
Bestimmung des RAV
Anlagendaten
▪ Art der Anlage
▪ Wirkungsgrad der Anlage
▪ Weitere Nutzungen im Gewässer
▪ Umwelt- und Naturschutz
Bestimmung des RAV
Skizze
Skizze
Leistungsbedarf elektrischer
Geräte
Kühlschrank
• Leistung
- 26W
• Jahresstromverbrauch
- 227 kWh
Leistungsbedarf elektrischer
Geräte
Computer
• Leistung
- 400W
• Jahresstromverbrauch
- 1168 kWh
Leistungsbedarf elektrischer
Geräte
Glühbirne
• Leistung
- 60W
• Jahresstromverbrauch
- 110 kWh
Leistungsbedarf elektrischer
Geräte
Kaffeemaschine
• Leistung
- 1000W
• Jahresstromverbrauch
- 365 kWh
Leistung verschiedener
Energieerzeuger
Windenergie
• Leistung
- 2 bis 5 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 7 GWh 1750 (abh. von Winddargebot)
Leistung verschiedener
Energieerzeuger
Wasserkraft
• Leistung
- bis 1000 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 750 GWh approx 190000 (abh. von Gewässer)
Leistung verschiedener
Energieerzeuger
Atomkraft
• Leistung
- bis 1500 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 10500 GWh 2,6 Mio. Haushalte
Leistung verschiedener
Energieerzeuger
Kohlekraft
• Leistung
- 100 bis 5000 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 12000 GWh 3 Mio. Haushalte
Einteilung Wasserkraftanlagen
Niederdruckanlagen
- hf < 15 m
- Wehre
- Laufwasserkraftwerk
- Kaplan- / Propeller- / Francis-Rohr-Turbine u.v.m.
Einteilung Wasserkraftanlagen
Mittelddruckanlagen
- hf = 15 m - 50 m
- Talsperren
- Ausleitungskraftwerk
- Kaplan- / Propeller / Francis-Turbine
Einteilung Wasserkraftanlagen
Hochdruckanlagen
- hf > 50 m
- Talsperren
- Ausleitungskraftwerk, Kraftwerk mit Druckstollen
- Francis- / Pelton - Turbine
Einteilung Wasserkraftanlagen
Anlagen
- Pico Wasserkraftanlagen: < 5 kW
- Micro Wasserkraftanlagen: 5 kW – 100 kW
- Mini Wasserkraftanlagen: < 1 MW
- Small Wasserkraftanlagen: 1 MW – 10 MW
- Medium Wasserkraftanlagen: 10 MW – 100 MW
- Große Wasserkraftanlagen: > 100 MW
Installierte Leistung
▪ Gesamt: 4,04 GW
▪ Große Wasserkraftanlagen: 3,39 GW
▪ Kleine und mittlere Wasserkraftanlagen: 0,65 GW
Installierte Jahresarbeit
▪ Gesamt: 20,9 TWh
▪ Große Wasserkraftanlagen: 17,5 TWh
▪ Kleine und mittlere Wasserkraftanlagen: 3,4 TWh
Wasserkraftpotenzial in Deutschland
Theoretisches Potenzial
- 92,6 TWh
▪ Abzüglich Fließverluste, Abflussnutzungsgrad und Wirkungsgrad
Wasserkraftpotenzial in Deutschland
Technisches Potenzials
- 33,2 TWh bis 42,1 TWh
▪ Abzüglich bereits genutzte Leistung (20,9 TWh)
Wasserkraftpotenzial in Deutschland
Noch nicht genutztes Potenzial
12,3 TWh bis 21,2 TWh
Wasserkraftpotenzial in Deutschland
Technisch, ökologisch und ökonomisch realisierbares Potenzial
- 3,3 TWh
▪ Große Wasserkraftanlagen: 2,7 TWh (+15 %)
▪ Kleine bis mittlere Wasserkraftanlagen:
0,6 TWh (+18 %)
▪ → bei 200 kW Anlagen → 250 zusätzliche
Wasserkraftanlagen an kleinen und mittleren
Gewässern an bestehenden Querbauwerken
Wasserkraftanlagen in Deutschland
- Anzahl: ca. 7300 Wasserkraftanlagen
- Energieleistung: 5600 MW
- Erzeugung: 20000 GWh
Wasserkraftanlagen in Deutschland
Deutschland
585 Laufwasserkraftwerke
59 Speicherkraftwerke
33 Pumpspeicherkraftwerke
+ Kleinwasserkraftwerke
Vor- und Nachteile von
Wasserkraftanlagen
Vorteile
• Energetische Nutzung des Wasserkreislaufes • kein CO2-Ausstoss • keine zu entsorgenden Abfallprodukte • hoher Wirkungsgrad (75% bis 90%) • hoher Erntefaktor (f = 57 bis 183) • lange Lebensdauer • ständige Verfügbarkeit • einfache und bewährte Technologie • niedrige Betriebskosten • Energiespeichermöglichkeit • Schnelles Anfahren und Abstellen • Mehrzwecknutzung • u.U. Verbesserung der ökologischen Verhältnisse • keine Risiken
Vor- und Nachteile von
Wasserkraftanlagen
Nachteile
•relativ hohe Investitionssummen • große Entfernungen zwischen Standort und Verbraucher • Durchflussschwankungen • Überstauung nutzbarer Flächen • Ökologie • Soziologische Effekte • Störung des Geschiebehaushalts • Störung des Wasserhaushalts • Unterbrechung des Lebensraums für Wanderfische
Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden
n tot
= Gesamtwirkungsgrad = 0,70 bis 0,80
Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden
n l
= Wirkungsgrad der Triebwasserzuleitung = 0,80 bis 0,85
Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden
n T
= Wirkungsgrad der Turbine = 0,88 bis 0,92
Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden
n Ge
= Wirkungsgrad des Getriebes = 0,97 bis 0,98
Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden
n G
= Wirkungsgrad des Generators = 0,96 bis 0,98
Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden
n Tr
= Wirkungsgrad der Umspannanlage = 0,98 bis 0,99
Wirkungsgrad moderner
Wasserkraftanlagen
Der Wirkungsgrad moderner Turbinen liegt zwischen 0,8 und 0,9. Hieraus folgt
folgende Gleichung zur Abschätzung der erzielbaren Ausbauleistung:
P = 8QH Netto
Aufgrund der schwankenden Abflussverhältnisse wird die Ausbauleistung nicht
kontinuierlich erreicht. Wasserkraftanlagen in Mitteleuropa erreichen oder
überschreiten die Ausbauleistung nur an etwa 30 bis 60 Tagen im Jahr.
Leistungsplan
Die Jahresarbeit für eine Wasserkraftanlage kann durch Integration der
Leistungsdauerlinie über ein Jahr ermittelt werden. Die Leistungsdauerlinie
berechnet sich aus der Multiplikation von Überschreitungsdauerlinie des
Zuflusses und Fallhöhendauerlinie. Die Fallhöhendauerlinie berechnet sich aus
den Dauerlinien des Unter- und Oberwasserstandes.
Tagesstrombedarf
Der Strombedarf schwankt über den Tag, die Woche und das Jahr. Um diesen
ungleichmäßigen Bedarf abzudecken, sind verschiedene Kraftwerkstypen
erforderlich. Diese Kraftwerkstypen sollen die Grundlast (in D: thermische
Kraftwerke, Kernkraftwerke und Laufwasserkraftwerke), die Mittellast
(Steinkohlekraftwerke, Gaskraftwerke, Öl, Speicherwasserkraftwerke) und die
Spitzenlast (Gasturbinen, Speicherkraftwerke, Pumpspeicherwerke) abdecken.
Die schnellste Anpassung an den Tagesbedarf liefern dabei Pumpspeicherwerke.
Mit ihrer Hilfe kann der Strombedarf innerhalb weniger Sekunden durch
Umschalten vom Pump- auf den Turbinenbetrieb sichergestellt werden (Hinweis:
Halbzeitpause beim Fußball!).
Jahresstrombedarf
1 Person im Haushalt
- gut, wenn
• 1500 - 1900 kWh/a - eher hoch bei
• über 2300 kWh/a
Jahresstrombedarf
2 Personen im Haushalt
- gut, wenn
• 2600 - 3300 kWh/a - eher hoch bei
• über 4000 kWh/a
Jahresstrombedarf
3 Personen im Haushalt
- gut, wenn
• 3700 - 4500 kWh/a - eher hoch bei
• über 5300 kWh/a
Jahresstrombedarf
4 Personen im Haushalt
- gut, wenn
• 4600 - 5500 kWh/a - eher hoch bei
• über 6400 kWh/a
Jahresstrombedarf
5 Personen im Haushalt
- gut, wenn
• 5500 - 6500 kWh/a - eher hoch bei
• über 7300 kWh/a
Einteilung der Wasserkraftanlagen
Hochdruckanlagen (h > 50 m)
Hierzu zählen Speicherkraftwerke wie Talsperrenkraftwerke und
Pumpspeicherkraftwerke
Einteilung der Wasserkraftanlagen
Mitteldruckanlagen (15 m < h <50 m)
Im Einsatz befinden sich sowohl Speicherkraftwerke wie Laufwasserkraftwerke
Einteilung der Wasserkraftanlagen
Niederdruckanlagen (h < 15 m)
Hierzu zählen Laufwasserkraftwerke wie Flusskraftwerke und Ausleitungskraftwerke
Niederdruckanlagen
An vielen Wehren werden an Flüssen Wasserkraftanlagen zur Energiegewinnung gebaut. Durch die
Staufunktion des Wehres wird die potentielle Energiehöhe erhöht und kann zur Stromerzeugung
genutzt werden. Gleichzeitig wird der Auslass ins Unterwasser sehr tief gelegt, um eine größere
Fallhöhe zu erzielen und gleichzeitig den Auslass auch bei Niedrigwasserverhältnissen eingestaut zu
lassen.
Niederdruckanlagen befinden sich an Flüssen im Mittellauf und verfügen daher über höhere Abflüsse
als Mitteldruck- oder Hochdruckanlagen.
Anordnung im Fluss
• Blockbauweise (a)
• Zweiseitige Kraftwerke (b)
• Inselkraftwerke (c) (selten aufgrund der beschränkten Zugänglichkeit)
• Pfeilerkraftwerke (d) (in den Wehrpfeilern sind eine Turbine und ein Generator
untergebracht.)
• Überströmbare Kraftwerke (e)
• Ausleitungskraftwerk
+ Skizzen
Ausleitungskraftwerk
- Wasser vom Fluss weggeleitet
- hohe Energiedichte, große Fallhöhen
- Problem: Wasserentnahme, da nur Pflichtwasserabgabe
Gestaltung eines Kraftwerks im
Längsschnitt und im Aufriss
Einlaufbereich
• strömungsgunstige Ausbildung (Vermeidung und Energieverluste wie Strömungsumlenkung Wirbelbildung)
• Gestaltung -> Einläufe -> Saugrohre -> Turbine => Charakteristische Maße Turbinehersteller
Saugrohr
- zwischen Turbine & Unterwasser
- Umwandlung kinetische Energie in mechanischer Energie
- kinetische Restenergie sinkt, Nettofallhöhe maximiert
Beispiele für Laufwasserkraftwerke
Skizze
Hochdruckanlagen
Hochdruckanlagen haben Fallhöhen von über 50 m. Aufgrund ihrer Lage im
Oberlauf der Flüsse sind die Abflüsse gering im Verhältnis zu den Mitteldruckund Niederdruckanlagen.
Eine typische Hochdruckanlage besteht aus • Druckstollen • Druckschacht • Wasserschloss • Kraftwerk
Hochdruckanlagen
Skizze
Pumpspeicherwerke
= Umwalzwerke (Hochdruckanlagen)
• Wasser aus unterbecken iin Oberbecken gepumpt
-> Zurückleitung zur Erzeugung von Wasserkraft
• Zwischenspeicherung überschüssige Energie in potentielle Energie
• Ausstattung: Pumpe + Turbine (Berücksichtigung Energieverluste)
Prinzip eines Pumpspeicherwerks
Skizze
s. 51
Pumpspeicherwerke
• Höhendifferenz: 145,5 m bis 165,2 m • Leistung: 153 MW • Wirkungsgrad 75% • Fassungsvermögen See: 1,5 Mio. m3 • Reversible Francis-Pumpturbine • Anfahrtzeit Turbine: 75 sec • Wassermenge im Turbinenbetrieb: 110m3 /s
Pumpspeicherwerke
Wendefurth im Harz
- Höhendifferenz: ca. 126 m
- Leistung: 80 MW
- Fassungsvermögen See: 8,5 Mio. m³
Pumpspeicherwerke
Goldisthal in Thüringen
- Höhendifferenz: 301,65 m
- Leistung: 4 x269 MW
- Fassungsvermögen See: 18,9 Mio m³
- Francis-Pumpeturbine Wassermenge im Turbinenbetrieb: 4 x 101 m³/s
Kontinuitätsgleichung
Die Wassermenge, die in ein Speicherbecken gepumpt wird, steht auch für den
Turbinenbetrieb zur Verfügung (Wasserverluste infolge Niederschlag und
Verdunstung werden als vernachlässigbar angesetzt)
VP = VT = V
Umwälzwerke (wie Pumpspeicherwerke)
• keine Nutzung von natürlichem Gewässer
-> Wasser vom Unterstrom zum Oberstrom gepumpt (Energieverlust)
• Energieüberschuss (Nachts) zwischen gespeichert Spitzenzeiten (Tag) zur Verfügung gestellt
