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Talsperren & Wasserkraft > Wasserkraft > Flashcards

Wasserkraft Flashcards

1
Q

Geschichte der Wasserkraft

A

• 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!

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2
Q

Wasserkraft

Regelarbeitsvermögen (RAV) [Wh]

A

▪ Maß für Stromerzeugung
▪ Jährliche Stromerzeugung
▪ Abhängig von Gewässer und Art der
Wasserkraftanlage

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3
Q

Bestimmung des RAV

Gewässerdaten

A

▪ Wasserdargebot
▪ Jahreszeitliche Verteilung
▪ Trends infolge von Klimawandel

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4
Q

Bestimmung des RAV

Anlagendaten

A

▪ Art der Anlage
▪ Wirkungsgrad der Anlage
▪ Weitere Nutzungen im Gewässer
▪ Umwelt- und Naturschutz

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5
Q

Bestimmung des RAV

Skizze

A

Skizze

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6
Q

Leistungsbedarf elektrischer
Geräte

Kühlschrank

A

• Leistung
- 26W
• Jahresstromverbrauch
- 227 kWh

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7
Q

Leistungsbedarf elektrischer
Geräte

Computer

A

• Leistung
- 400W
• Jahresstromverbrauch
- 1168 kWh

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8
Q

Leistungsbedarf elektrischer
Geräte

Glühbirne

A

• Leistung
- 60W
• Jahresstromverbrauch
- 110 kWh

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9
Q

Leistungsbedarf elektrischer
Geräte

Kaffeemaschine

A

• Leistung
- 1000W
• Jahresstromverbrauch
- 365 kWh

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10
Q

Leistung verschiedener
Energieerzeuger

Windenergie

A

• Leistung
- 2 bis 5 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 7 GWh 1750 (abh. von Winddargebot)

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11
Q

Leistung verschiedener
Energieerzeuger

Wasserkraft

A

• Leistung
- bis 1000 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 750 GWh approx 190000 (abh. von Gewässer)

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12
Q

Leistung verschiedener
Energieerzeuger

Atomkraft

A

• Leistung
- bis 1500 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 10500 GWh 2,6 Mio. Haushalte

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13
Q

Leistung verschiedener
Energieerzeuger

Kohlekraft

A

• Leistung
- 100 bis 5000 MW
• Jahresstromerzeugung: (4-Personen-Haushalt: approx 4000 kWh/a)
- bis 12000 GWh 3 Mio. Haushalte

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14
Q

Einteilung Wasserkraftanlagen

Niederdruckanlagen

A
  • hf < 15 m
  • Wehre
  • Laufwasserkraftwerk
  • Kaplan- / Propeller- / Francis-Rohr-Turbine u.v.m.
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15
Q

Einteilung Wasserkraftanlagen

Mittelddruckanlagen

A
  • hf = 15 m - 50 m
  • Talsperren
  • Ausleitungskraftwerk
  • Kaplan- / Propeller / Francis-Turbine
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16
Q

Einteilung Wasserkraftanlagen

Hochdruckanlagen

A
  • hf > 50 m
  • Talsperren
  • Ausleitungskraftwerk, Kraftwerk mit Druckstollen
  • Francis- / Pelton - Turbine
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17
Q

Einteilung Wasserkraftanlagen

Anlagen

A
  • 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
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18
Q

Installierte Leistung

A

▪ Gesamt: 4,04 GW
▪ Große Wasserkraftanlagen: 3,39 GW
▪ Kleine und mittlere Wasserkraftanlagen: 0,65 GW

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19
Q

Installierte Jahresarbeit

A

▪ Gesamt: 20,9 TWh
▪ Große Wasserkraftanlagen: 17,5 TWh
▪ Kleine und mittlere Wasserkraftanlagen: 3,4 TWh

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20
Q

Wasserkraftpotenzial in Deutschland

Theoretisches Potenzial

A
  • 92,6 TWh

▪ Abzüglich Fließverluste, Abflussnutzungsgrad und Wirkungsgrad

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21
Q

Wasserkraftpotenzial in Deutschland

Technisches Potenzials

A
  • 33,2 TWh bis 42,1 TWh

▪ Abzüglich bereits genutzte Leistung (20,9 TWh)

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22
Q

Wasserkraftpotenzial in Deutschland

Noch nicht genutztes Potenzial

A

12,3 TWh bis 21,2 TWh

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23
Q

Wasserkraftpotenzial in Deutschland

Technisch, ökologisch und ökonomisch realisierbares Potenzial

A
  • 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

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24
Q

Wasserkraftanlagen in Deutschland

A
  • Anzahl: ca. 7300 Wasserkraftanlagen
  • Energieleistung: 5600 MW
  • Erzeugung: 20000 GWh
25
Q

Wasserkraftanlagen in Deutschland

Deutschland

A

585 Laufwasserkraftwerke
59 Speicherkraftwerke
33 Pumpspeicherkraftwerke
+ Kleinwasserkraftwerke

26
Q

Vor- und Nachteile von
Wasserkraftanlagen

Vorteile

A 
• 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
27
Q

Vor- und Nachteile von
Wasserkraftanlagen

Nachteile

A 
•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
28
Q

Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden

n tot

A

= Gesamtwirkungsgrad = 0,70 bis 0,80

29
Q

Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden

n l

A

= Wirkungsgrad der Triebwasserzuleitung = 0,80 bis 0,85

30
Q

Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden

n T

A

= Wirkungsgrad der Turbine = 0,88 bis 0,92

31
Q

Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden

n Ge

A

= Wirkungsgrad des Getriebes = 0,97 bis 0,98

32
Q

Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden

n G

A

= Wirkungsgrad des Generators = 0,96 bis 0,98

33
Q

Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ergibt sich aus einer Reihe von Teilwirkungsgraden

n Tr

A

= Wirkungsgrad der Umspannanlage = 0,98 bis 0,99

34
Q

Wirkungsgrad moderner

Wasserkraftanlagen

A

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.

35
Q

Leistungsplan

A

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.

36
Q

Tagesstrombedarf

A

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!).

37
Q

Jahresstrombedarf

1 Person im Haushalt

A
  • gut, wenn
    • 1500 - 1900 kWh/a
  • eher hoch bei
    • über 2300 kWh/a
38
Q

Jahresstrombedarf

2 Personen im Haushalt

A
  • gut, wenn
    • 2600 - 3300 kWh/a
  • eher hoch bei
    • über 4000 kWh/a
39
Q

Jahresstrombedarf

3 Personen im Haushalt

A
  • gut, wenn
    • 3700 - 4500 kWh/a
  • eher hoch bei
    • über 5300 kWh/a
40
Q

Jahresstrombedarf

4 Personen im Haushalt

A
  • gut, wenn
    • 4600 - 5500 kWh/a
  • eher hoch bei
    • über 6400 kWh/a
41
Q

Jahresstrombedarf

5 Personen im Haushalt

A
  • gut, wenn
    • 5500 - 6500 kWh/a
  • eher hoch bei
    • über 7300 kWh/a
42
Q

Einteilung der Wasserkraftanlagen

Hochdruckanlagen (h > 50 m)

A

Hierzu zählen Speicherkraftwerke wie Talsperrenkraftwerke und
Pumpspeicherkraftwerke

43
Q

Einteilung der Wasserkraftanlagen

Mitteldruckanlagen (15 m < h <50 m)

A

Im Einsatz befinden sich sowohl Speicherkraftwerke wie Laufwasserkraftwerke

44
Q

Einteilung der Wasserkraftanlagen

Niederdruckanlagen (h < 15 m)

A

Hierzu zählen Laufwasserkraftwerke wie Flusskraftwerke und Ausleitungskraftwerke

45
Q

Niederdruckanlagen

A

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.

46
Q

Anordnung im Fluss

A

• 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

47
Q

Ausleitungskraftwerk

A
  • Wasser vom Fluss weggeleitet
  • hohe Energiedichte, große Fallhöhen
  • Problem: Wasserentnahme, da nur Pflichtwasserabgabe
48
Q

Gestaltung eines Kraftwerks im
Längsschnitt und im Aufriss

Einlaufbereich

A

• strömungsgunstige Ausbildung (Vermeidung und Energieverluste wie Strömungsumlenkung Wirbelbildung)

• Gestaltung
-> Einläufe
-> Saugrohre
-> Turbine
=> Charakteristische Maße Turbinehersteller
49
Q

Saugrohr

A
  • zwischen Turbine & Unterwasser
  • Umwandlung kinetische Energie in mechanischer Energie
  • kinetische Restenergie sinkt, Nettofallhöhe maximiert
50
Q

Beispiele für Laufwasserkraftwerke

A

Skizze

51
Q

Hochdruckanlagen

A

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
52
Q

Hochdruckanlagen

A

Skizze

53
Q

Pumpspeicherwerke

A

= Umwalzwerke (Hochdruckanlagen)

• Wasser aus unterbecken iin Oberbecken gepumpt
-> Zurückleitung zur Erzeugung von Wasserkraft
• Zwischenspeicherung überschüssige Energie in potentielle Energie
• Ausstattung: Pumpe + Turbine (Berücksichtigung Energieverluste)

54
Q

Prinzip eines Pumpspeicherwerks

Skizze

A

s. 51

55
Q

Pumpspeicherwerke

A 
• 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
56
Q

Pumpspeicherwerke

Wendefurth im Harz

A
  • Höhendifferenz: ca. 126 m
  • Leistung: 80 MW
  • Fassungsvermögen See: 8,5 Mio. m³
57
Q

Pumpspeicherwerke

Goldisthal in Thüringen

A
  • Höhendifferenz: 301,65 m
  • Leistung: 4 x269 MW
  • Fassungsvermögen See: 18,9 Mio m³
  • Francis-Pumpeturbine Wassermenge im Turbinenbetrieb: 4 x 101 m³/s
58
Q

Kontinuitätsgleichung

A

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

59
Q

Umwälzwerke (wie Pumpspeicherwerke)

A

• keine Nutzung von natürlichem Gewässer
-> Wasser vom Unterstrom zum Oberstrom gepumpt (Energieverlust)

• Energieüberschuss (Nachts) zwischen gespeichert Spitzenzeiten (Tag) zur Verfügung gestellt

Talsperren & Wasserkraft (20 decks)

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