Zum Inhalt springen

Wasserkraftwerk

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Dies ist eine alte Version dieser Seite, zuletzt bearbeitet am 12. Februar 2011 um 18:35 Uhr durch Ptbotgourou (Diskussion | Beiträge) (r2.6.5) (Bot: Ändere: fa:نیروی برق‌آبی). Sie kann sich erheblich von der aktuellen Version unterscheiden.

Ein Wasserkraftwerk oder Wasserkraftanlage ist ein Kraftwerk, das die kinetische Energie des Wassers in mechanische Energie bzw. elektrische Energie umwandelt. Damit wird die Wasserkraft für den Menschen nutzbar gemacht.

Schema eines Wasserkraftwerkes ausgestattet mit einer Kaplan-Turbine
Wasserturbine mit Generator

Funktionsweise

Privates Wasserkraftwerk in Olching

Durch eine Stauanlage wird Wasser im Stauraum auf möglichst hohem potentiellem Niveau zurückgehalten. Die Energie der Bewegung des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, wodurch dieses in Drehbewegung mit hohem Drehmoment versetzt wird. Dieses wiederum wird direkt oder über ein Getriebe an die Welle des Generators weitergeleitet, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Weitere Bauteile sind, abhängig von Größe und Bauart des Elektrizitätswerkes:

Talsperre, Staumauer, Staustufe, Wehr (Wasserbau), Einlaufschütz, Treibgutrechen, Umspannwerk sowie Rohrleitungen zwischen dem Wasserschloss und dem Maschinenhaus.

Leistung

Die Leistung P ist abhängig vom Wasserdurchfluss Q (in m³/s) und der Fallhöhe h (in m) sowie von den Wirkungsgraden η des Zulaufs, der Wasserturbine, des Getriebes, des Generators und des Transformators.

Näherungsweise Berechnung bei einem Wirkungsgrad von ca. 85 % (g • ρ • η ≈ 7 kN /m3)

Beispiel: Durch die Turbine eines Laufwasserkraftwerkes mit der Stauhöhe 6 m strömen pro Sekunde 20 m³ Wasser. Damit ergibt sich eine Leistung von P = 20 m³/s • 6 m • 7 kN/m³ = 840 kW. Die installierten Leistungen liegen zwischen wenigen kW und 18.000 Megawatt (Drei-Schluchten-Damm in China).

Wasserkraftwerke erzielen einen hohen Wirkungsgrad. Ihre Turbinen und Generatoren können bis zu 90 % der nutzbaren Wasserkraft in elektrischen Strom umwandeln.

Typen von Wasserkraftwerken

Einteilung nach Nutzgefälle

Speicherkraftwerk Maltatal
Ein typisches Wasserkraftwerk, hier an der Ruhr
Wasserkraftwerk "Grand Coulee Dam" in den Vereinigten Staaten

Das Nutzgefälle oder die Fallhöhe ist der Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel oberhalb der Turbine (Oberwasser) und dem Wasserspiegel hinter der Turbine (Unterwasser).

Niederdruckkraftwerke

Als Niederdruckkraftwerke werden Wasserkraftanlagen bezeichnet, bei denen die Fallhöhe weniger als etwa 15 m beträgt. Im Gegensatz zu Mitteldruck- oder Hochdruckkraftwerken befinden sich diese im Mittellauf eines Flusses und weisen damit wesentlich höhere Abflüsse auf.[1]
Die Anzahl der verbauten Maschinensätze wird nach Durchfluss, Abflusscharakteristik, Einzelbetrieb oder Durchlaufspeicherung in einer Kraftwerkskette bestimmt. Weitere Nutzungsziele neben der Erzeugung elektrischer Energie können beispielsweise eine Verbesserung des Hochwasserschutzes oder eine Eindämmung einer vorhandenen Sohlerosion sein.[2]

Eckdaten:

Fallhöhe: < 15 m
Verwendung für: Grundlast
Turbinenarten: Propellerturbine,Kaplan-Turbine, Rohrturbine, Durchströmturbine, Straflo-Turbine
Bauarten: Flusskraftwerke, Ausleitungskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerk

Mitteldruckkraftwerke

Bei Mitteldruckkraftwerken handelt es sich um Wasserkraftanlagen mit einer Fallhöhe zwischen 15 m und 50 m, wobei sowohl der Übergang zwischen Niederdruck- und Mitteldruckanlagen als auch zwischen Mitteldruck- und Hochdruckanlagen als fließend bezeichnet werden kann. Die Realisierung dieses Kraftwerkstyps erfolgt meist im Zusammenhang mit niedrigen Talsperren als Speicherkraftwerk oder in Kombination mit höheren Wehranlagen an Flusskraftwerken. Charakteristisch für diese beiden Arten von Wasserkraftanlagen ist, dass der typische mittlere Wasserdurchsatz nur durch eine Speicherbewirtschaftung zu erreichen ist. Abgesehen von den für die Energiegewinnung notwendigen Belangen (Ausgleich jahreszeitlich unterschiedlicher Abflüsse, Pumpspeicherung etc.) sind meist auch andere Ziele (Trinkwasserversorgung, Hochwasserschutz, Erholungswirkung etc.) zu berück¬sichtigen.

Folgende Einsatzzwecke lassen sich unterscheiden

  • Einzweckanlagen
Anlagen die einen vorgegebenen Strombedarf decken
Anlagen zur Vergleichmäßigung des Abflusses eine Fließgewässers
Anlagen zur Spitzenstromerzeugung
  • Mehrzweckanlagen, die primär der Energieerzeugung dienen, gleichzeitig werden aber auch andere Anforderungen erfüllt (z.B. Hochwasserschutz, Bewässerung, Trinkwasserversorgung).
  • Mehrzweckanlagen, die hauptsächlich anderen Zielen als der Energieerzeugung dienen. Insbesondere fallen in diesen Bereich Anlagen zur Stauhaltung schiffbarer Flüsse.
Charakteristisch für Mitteldruckanlagen ist neben der Fallhöhe eine dreifache Gliederung des Krafthauses
  • Einlauf mit Rechen und Turbinenschütz
  • Verlängerter Einlaufschlauch bzw. Triebwasserleitung
  • Einlaufspirale, Wasserturbine, Saugschlauch

Talsperrenkraftwerke, welche in direkter Verbindung von Erddämmen oder Betonstaumauern errichtet werden sind meist dicht an der Luftseite situiert. Das Krafthaus liegt direkt am Damm- oder Mauerfuß und erlaubt kurze und hydraulisch günstige Druckrohrleitungen. Auch eine Anordnung weiter flussabwärts, sowie bei besonders beengten Verhältnissen in Kavernen (eher selten bei Mitteldruckanlagen) ist möglich.

Eckdaten:

Fallhöhe: 15–50 m
Verwendung für: Grundlast, Mittellast
Turbinenarten: Francis-Turbine, Kaplan-Turbine(selten)
Bauarten: Flusskraftwerke, Speicherkraftwerke

Hochdruckkraftwerke

Von Hochdruckanlagen spricht man, wenn die Nutzfallhöhe mehr als 50m beträgt. Um ein solch großes Gefälle realisieren zu können, werden solche Anlagen im Mittel- und Hochgebirge errichtet. Zur Stauhaltung werden Talsperren, Staumauern oder ein Damm verwendet, wodurch große Mengen Wasser über ein Jahr gespeichert werden können. Durch dieses ständig verfügbare Wasservolumen, können Spitzenlasten im Stromverbrauch ausgeglichen werden und an den Bedarf angepasst werden. Jedoch treten dann extrem große Mengen Wasser an, die dann schlagartig abgeführt werden muss. Es ist aus ökologischen Gesichtspunkten problematisch sie ohne Weiteres ans Unterwasser abzugeben. Deshalb kommen Rückhaltebecken zum Einsatz um die Wasserabgabe an den Unterlauf zu regulieren. Wegen des hohen Drucks finden nur noch Pelton- und Francisturbinen Verwendung. Die Bauweise ähnelt sehr der Bauweise einer Mitteldruckanlage, jedoch kommt mit dem Wasserschloss ein sehr entscheidende Neuerung hinzu. Die Funktion eines Wasserschlosses ist das Abdämpfen des Druckstoßes, der beim Beschleunigen oder Bremsen des in der Rohrleitung strömenden Wassers, entsteht.

Fallhöhe: 50–2.000 m
Verwendung für: Spitzenlast
Turbinenarten: Francis-Turbine, Pelton-Turbine
Bauarten: Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Kavernenkraftwerke

Weitere Klassifizierungsmerkmale

Betrachtungsweise Klassifizierung
Auslastung

Die erzeugte Strommenge (Regelarbeitsvermögen)
ergibt im Verhältnis zur Nennleistung
die Auslastung eines Kraftwerkes.

Grundlastkraftwerk: Auslastung: > 50 %
Bauarten: Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Strom-Boje, Wellenkraftwerk

Mittellastkraftwerke: Auslastung: 30–50 %
Bauarten: Flusskraftwerke mit Schwellbetrieb, Speicherkraftwerke

Spitzenlastkraftwerke: Auslastung: < 30 %
Bauarten: Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Kavernenkraftwerke

Installierte Leistung Kleinwasserkraftanlagen(< 1 MW)
mittelgroße Wasserkraftanlagen(< 100 MW)
Großwasserkraftanlagen(> 100 MW)
Topografie Unterlauf (Flusskraftwerk)
Mittelgebirge (Laufwasser- und Speicherkraftwerk)
Hochgebirge (Speicherkraftwerk)
Betriebsweise Inselbetrieb, Verbundbetrieb


Spezielle Kraftwerkstypen

Laufwasserkraftwerk
Bei einem Laufwasserkraftwerk wird ein Fluss gestaut und mit dem abfließenden Wasser elektrischer Strom gewonnen.
Speicherkraftwerk
Bei einem Speicherkraftwerk wird das Wasser über einen Zeitraum (mehrere Stunden bis mehrere Monate) gespeichert, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen.
Pumpspeicherkraftwerk
Ein Pumpspeicherkraftwerk ist ein Speicherkraftwerk, bei dem mit überschüssigem Strom Wasser aus einer niedrigen Lage in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird, um später Spitzenstrom zu erzeugen. Pumpspeicher-Kraftwerke bieten als derzeit einzige Energieanlagen die Möglichkeit, Elektrizität wirtschaftlich und in nennenswertem Umfang mit Hilfe potentieller Energie (Speicherwasser) zu speichern.
Kavernenkraftwerk
Ein Kavernenkraftwerk verwendet künstlich geschaffene Hohlräume als Energiespeicher oder als Standort für Kraftwerkskomponenten, es fügt sich damit sehr unauffällig in das Landschaftsbild ein.
Gezeitenkraftwerk
Ein Gezeitenkraftwerk nutzt die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und Flut
Wellenkraftwerk
In Wellenkraftwerken wird, im Unterschied zu einem Gezeitenkraftwerk, nicht der Tidenhub, sondern die Energie der kontinuierlichen Meereswellen selbst ausgenutzt.
Meeresströmungskraftwerk
Ein Meeresströmungskraftwerk nutzt die kinetische Energie von Meeresströmungen.
Schiffmühle
Eine Schiffmühle besteht aus einem auf einem Schwimmkörper befestigten und auf einem Fluss verankerten Wasserrad.
Gletscherkraftwerk
Ein Gletscherkraftwerk nutzt das Schmelzwasser eines Gletschersees.Es wird über Rohrleitungen zu dem Krafthaus zur Energieerzeugung geleitet.
Strom-Boje
Eine Strom-Boje wandelt die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie um. Bei diesem neuartigen Typ werden das Landschaftsbild und der Wasserspiegel nicht verändert.
Wasserwirbelkraftwerk
In einem Wasserwirbelkraftwerk bildet sich in einem runden Staubecken ein stabiler Wasserwirbel über einem zentralen Abfluss aus, der eine Wasserturbine antreibt.

Ökonomische Bedeutung

Energiequellen in Deutschland von 2005 bis 2007[3]
Strom aus Wasserkraft in Deutschland von 2005 bis 2007[4]

Weltweit werden knapp 88 % der erneuerbaren elektrischen Energie mit Wasserkraftwerken erzeugt; das entspricht etwa 20% der gesamten Stromerzeugung.[5] Norwegen deckt fast seinen gesamten Elektrizitätsbedarf mit Wasserkraft, Brasilien rund 80 %. In Österreich beträgt die Wasserkraftquote rund 55 % (36 TWh) an der gesamten Stromproduktion, in der Schweiz sind es rund 60 %. Gemessen am gesamten Energieverbrauch in Deutschland trägt die Wasserkraft weniger als 1,6 % bei, wie das nebenstehende Bild zeigt, wobei der Anteil an der Bruttostromerzeugung zwischen 3 und 4 % schwankt.[6]

Aus der in Deutschland installierten Leistung von 4,7 GW und der in Deutschland erzeugten Energie (dem Regelarbeitsvermögen) von 21600 GWh errechnen sich 4600 Volllaststunden. Gemessen an den 8760 Stunden pro Jahr ergibt sich ein Nutzungsgrad von 52 %.

Die Kosten der Investitionen für Wasserkraftwerke liegen sehr hoch und belasten die Rentabilität der Anlage. Daher ist der in Wasserkraftwerken produzierte elektrische Strom zunächst einmal kostspieliger als der in vergleichbaren Dampfkraftwerken. Die Kostenlosigkeit der nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehenden Ressource Wasserkraft macht sich erst bemerkbar, wenn die Erlöse des verkauften Stromes die Kosten der Errichtung des Kraftwerkes gedeckt haben. Aus diesem Grund werden Wasserkraftwerke für eine hohe Lebensdauer ausgelegt, um diesen Effekt möglichst lange nutzen zu können.

Wasserkraftwerke werden bevorzugt im Mittel- und Hochgebirge sowie an großen Flüssen errichtet, um durch großen Höhenunterschied bzw. Durchfluss die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Ökologische Auswirkung

Der Landschaftsverbrauch beim Anlegen von Wasserkraftwerken, vor allem beim Bau von neuen Stauseen oder Sperrwerken kann zu Konflikten führen, bei denen die Nachteile und Vorteile, auch im Vergleich zu anderen Lösungen, im Einzelfall abgewogen werden müssen.

Vorteile

Wasserkraftwerk an der Gasteiner Ache in Bad Gastein
  • Energieausbeute in der Regel unabhängig von Wetter und Zeit (im Vergleich zu vielen anderen alternativen Energieformen)
  • Die erzeugte Energie lässt sich gut und schnell regeln

Nachteile

Geschichte

Schon vor 5000 Jahre gab es in China und im ehemaligen Mesopotamien Wasserräder. Damals hatte man herausgefunden, dass die Strömungsenergie des Wassers dem Menschen nützlich gemacht werden kann. Auch später im antiken Rom und Griechenland wurden Wasserräder zum mahlen von Mehl und zur Bewässerung genutzt. Die heutige Energiegewinnung mittels Wasser fand aber ihren Ursprung erst 1767, als der englische Bauingenieur John Smeaton das erste Wasserrad aus Gusseisen herstellte. Im Jahr 1880 baute man in Nordengland das erste Wasserkraftwerk, mit dem man Strom gewonnen wurde und 1896 entstand an den Niagarafällen in den USA das erste Großkraftwerk der Welt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts vergrösserte sich das Interesse an Wasserkraft, da bessere Turbinen entwicklet wurden und die Nachfrage nach Strom stetig größer wurde.

Das Prinzip eines Wasserkraftwerkes war jedoch immer das selbe: Wasser wird in einem höhergelegenen Speicher aufbewahrt und dann über Druckleitungen zum eigentlichen Kraftwerk geführt.

Bemerkenswertes

Das Wappen Nordkoreas enthält ein Wasserkraftwerk mit Strommast.

Wasserkraftwerke mit besonderen Merkmalen

Siehe auch

Commons: Wasserkraftwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Wasserkraftwerk – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ T. Strobl, F. Zunic:Wasserbau, Aktuelle Grundlagen-Neue Entwicklungen. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2006, ISBN 3-540-22300-2.
  2. ↑ J. Giesecke, E. Mosonyi: Wasserkraftanlagen, Planung, Bau und Betrieb. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York 2005, ISBN 3-540-25505-2.
  3. ↑ BMWi Energiestatistiken S. 4.
  4. ↑ BMWi Energiestatistiken S. 20.
  5. ↑ Renewables Global Status Report 2006 Update
  6. ↑ BMU - Erneuerbare Energien in Zahlen, Stand: Dezember 2009
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Wasserkraftwerk&oldid=85198487“