Wasserkraftwerke
In Wasserkraftwerken wird die Energie des Wassers zur Stromerzeugung genutzt. Sie setzt sich aus kinetischer Energie (Bewegungsenergie) der fließenden Wassermenge und ihrer potenziellen Energie (Lageenergie).
Die Turbine wandelt die Energie des einfließenden Wassers in eine Rotationsbewegung um. Ein an die Welle der Turbine angeschlossener Generator wandelt wiederum deren Rotationsenergie in Elektroenergie um.
Die Kosten einer Wasserkraftanlage werden ganz wesentlich von der installierten Leistung und den örtlichen Bedingungen bestimmt. Prinzipiell haben Kleinwasserkraftanlagen einen höheren Investitionsaufwand als Großanlagen
Obwohl die in Deutschland existierenden Wasserkraftpotenziale noch nicht vollständig ausgeschöpft sind, ist mit keinem nennenswerten Ausbau mehr zu rechnen. Der Betrieb einer Wasserkraftanlage stellt immer einen bedeutenden Eingriff in die Ökologie eines Gewässers dar, so dass vor allem die Aspekte des Natur- und Gewässerschutzes zu berücksichtigen sind. Das Hauptaugenmerk gilt heute der Modernisierung und dem Ausbau bestehender Anlagen unter Beachtung dieser Aspekte.
Laufwasserkraftwerke
Laufwasserkraftwerke sind einerseits durch geringe Fallhöhen andererseits aber durch relativ große Wassermengen gekennzeichnet. Jahreszeitlich bedingt unterliegen diese Wassermengen mehr oder weniger starken Schwankungen. Zum Ausgleich wird im Flussbett ein Wehr errichtet, das einen Teil der Wassermassen umleitet und über Schächte oder Kanäle Turbinen-Generator-Anlagen zuführt. Unterhalb des Wehres fließt das Turbinenwasser wieder in das Flussbett zurück.
An großen, für den Schiffsverkehr ausgebauten Flüssen findet man Laufwasserkraftwerke oft in Verbindung mit Schleusenanlagen. Die größten Laufwasserkraftwerke Deutschlands befinden sich an Rhein und Donau und weisen installierte Leistungen von bis zu 130 MW auf.
Laufwasserkraftwerke eignen sich aufgrund des Wasserangebotes für einen Rund-um-die-Uhr-Betrieb, d.h. als Grundlastkraftwerke.
Speicherkraftwerke
Für die Errichtung von Speicherkraftwerken eignen sich hochgelegene Seen mit natürlichem Wasserzulauf und Talsperren. Genutzt wird hier wird das hohe Gefälle des Wassers. Am Fuß der Staumauer hat das Wasser den höchsten Druck aufgebaut und wird zum Antrieb der Generatoren in die Turbinenanlagen einspritzt. Im Unterschied zu Laufwasserkraftwerken ist hier eine kontinuierliche Nutzung des zufließenden Wassers nicht sinnvoll. Dagegen bietet es sich an, die Kraftwerksanlage mit einer höher als aufgrund des Zuflusses angemessen installierten Leistung auszustatten, um bei ansteigendem Strombedarf dem Speicherbecken mehr Wasser als momentan einfließt zu entnehmen und zu verstromen. Bei verminderter Energieanforderung wird das zufließende Wasser wieder als potentielle Energie im Speicherbecken gesammelt. Das Speicherkraftwerk erfüllt somit sowohl die Funktion des Grundlastkraftwerkes als auch die des Spitzenlastkraftwerkes.
Eine Sonderform der Speicherkraftwerke sind die Pumpspeicherkraftwerke. Bei ihnen wird Wasser mittels Pumpen in ein höhergelegenes Speicherbecken gepumpt, um bei auftretenden Tagesspitzen den Energiebedarf über eine Turbine abdecken zu können. Zur Stromerzeugung strömt Wasser aus dem Oberbecken durch Leitungssysteme über die Turbinen in das Unterbecken. Die an die Turbinen angekoppelten Maschinen werden dabei durch die Wasserkraft angetrieben und erzeugen Elektroenergie. Sie arbeiten in diesem Fall wie im herkömmlichen Wasserkraftwerk als Generatoren. Sie können aber auch Energie aus dem Netz aufnehmen und als Motoren in umgekehrter Drehrichtung die Turbinen antreiben. Diese pumpen zu Zeiten mit geringem Stromverbrauch das Wasser vom Unterbecken zurück in das Oberbecken.
Bei den Pumpspeicherkraftwerken handelt es sich nicht um eine Energiegewinnung im herkömmlichen Sinn, sondern um eine wirtschaftliche Möglichkeit, Strom in größerem Umfang zu speichern. Aufgrund ihrer Arbeitsweise ist ein Wirkungsgrad von 75 % erreichbar.
Kenndaten Wasserkraftwerke
- Leistungsbereich: einige kW bis 5000 MW
- Stromkosten: Speicher- und Laufwasserkraftwerke 3-10 Cent/kWh, Kleinwasserkraftwerke 10-25 Cent/kWh
- Kostenreduzierung bis 2020: ca. 10 %
Generatoren
In der elektrischen Energietechnik versteht man unter einem Generator eine Vorrichtung zur Wandlung verschiedener Energieformen in Elektroenergie. Der überwiegende Teil der gegenwärtigen Stromerzeugung erfolgt mit Hilfe von Maschinengeneratoren, die Rotationsenergie in Elektroenergie umwandeln. Die physikalische Grundlage für die Stromerzeugung bildet hier das Induktionsgesetz. Dieses besagt, dass in einer im Magnetfeld bewegten elektrischen Leiterschleife ein Stromfluss entsteht. Aus Bewegungsenergie entsteht so Elektroenergie.
Dieses Prinzip lässt sich auch umkehren: Auf eine von Strom durchflossene Leiterschleife im Magnetfeld wirkt eine Kraft und wird in Rotationsenergie umgesetzt. Dieses Prinzip entspricht dem Elektromotor. Ein und die selbe Maschine kann also sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb arbeiten. Der Wirkungsgrad der Umwandlung kann bei beiden Betriebsarten mehr als 90 % betragen.
Elektrischen Maschinen können in drei Typen eingeteilt werden. Sie unterscheiden sich in wichtigen Details in ihrer Wirkungsweise und wurden für verschiedene Einsatzgebiete optimiert. Sie werden als Generatoren in Wasser- und Windkraftanlagen, sowie in Blockheizkraftwerken eingesetzt. Man unterscheidet die Asynchronmaschine, die Synchronmaschine und die Gleichstrommaschine.
Die Asynchronmaschine
Die Asynchronmaschine ist seit mehr als 100 Jahren bekannt. Sie kann ohne besonderes Zutun elektrische Energie in das Netz abgeben, wenn sie über ihre Leerlaufdrehzahl hinaus mechanisch angetrieben wird.
In letzter Zeit ist ein starker Zuwachs beim Einsatz von Asynchronmaschinen als Generatoren aus folgenden Gründen festzustellen:
- Das Energieeinspeisegesetz (EEG), das jedem erlaubt, elektrische Energie in das Drehstromnetz einzuspeisen
- Der einfache und robuste Aufbau, der zur Folge hat, dass es bis auf die Lager keine Verschleiß- und Wartungs-Teile gibt
- Die Leistungsstärke der Netze, die selbst für größere Asynchrongeneratoren die notwendige Blindleistung zur Verfügung stellen können
- Die Zuverlässigkeit und einfache Regelung des Asynchrongenerators, die dem Trend zum wärterlosen, vollautomatischen Kleinkraftwerk (Anlagen zwischen einigen kW und 1500 kW) entgegen kommt
- Die Möglichkeit, ohne zusätzliche Einrichtungen wie Erregermaschinen oder Spannungsregler am vorhandenen Drehstromnetz zu arbeiten
Die Synchronmaschine
Synchronmaschinen werden fast ausschließlich in Kraftwerksanlagen größerer Leistung eingesetzt. Ihre Stärke liegt im Betrieb in netzunabhängigen Anlagen bis hin zu Notstromversorgungsanlagen.
Im Gegensatz zum Asynchrongenerator befinden sich im Rotor der Synchronmaschine elektrisch erregte Magnetspulen. Der für die magnetische Erregung der Pole erforderliche Gleichstrom wird über eine Gleichstrommaschine, die sich auf der gleichen Welle befindet, mittels Kontaktbürsten zugeführt. Um die übliche Netzfrequenz von 50 Hz zu erreichen muss sich ein Generator mit nur einem Spulenpaar mit 3000 U/min drehen. Da die Wasserturbinendrehzahl im allgemeinen zwischen 50 und 150 U/min liegt, sind viele Spulenpaare notwendig, deren Unterbringung den Durchmesser der Maschine zwangsläufig auf einige Meter erhöht.
Der Gleichstromgenerator
Gleichstromgeneratoren sind auf grund ihrer wartungsaufwändigen Konstruktion, insbesondere die verschleißenden Kohlebürsten betreffend, nicht mehr im praktischen Einsatz. Ein weiterer Grund liegt in der Tatsache, das es keine Gleichspannungsnetze zum Einspeisen der Energie mehr gibt. Für den Eigenbau kleiner Wind- oder Wasserräder kommen sie jedoch noch als Spielzeugmotoren oder KfZ-Motoren zum Einsatz.
Wasserturbinen
Vom Wasserrad zur Turbine war es ein weiter Weg. Schon vor mehr als 5000 Jahren wurden in Mesopotamien Wasserräder zum Schöpfen eingesetzt. Die Römer nutzten sie später als Antrieb für Sägewerke und Mühlen. Dies zeigt, dass Wasserkraft schon seit Jahrhunderten genutzt wird, um die Lage- bzw. Bewegungsenergie des Wassers zur Verrichtung von Arbeit auszunutzen. Man unterscheidet dabei zwischen dem Aktions- und dem Reaktionsprinzip. Das Aktionsprinzip nutzt die Bewegungsenergie, das Reaktionsprinzip nur die Lageenergie des Wassers.
Unterschieden wurden drei Arten von Wasserrädern: Das «Stoßrad», das »unterschlächtige« und das »oberschlächtige« Wasserrad.
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Die Schaufeln des Stoßrades tauchten horizontal in das Wasser ein und nutzten so die Bewegungsenergie des Wassers.
Das aus dem Stoßrad entstandene »unterschlächtige« Wasserrad nutzt durch eine leichte Höhendifferenz zusätzlich zur Bewegungsenergie den Druck des Wassers beim Eintritt aus.
Dagegen nutzt das »oberschlächtige« Wasserrad hauptsächlich die Lageenergie. Das Wasser fließt von oben auf die muldenförmigen Schaufeln des Rades und treibt es durch sein Eigengewicht an.
Heute werden zur Nutzung von Wasserkraft Turbinen genutzt. Für unterschiedliche Wassermengen, Fallhöhen und Drücke sind im wesentlichen drei verschiedene Turbinenarten entwickelt worden: Die Francis-Turbine, die Kaplan-Turbine und die Pelton-Turbine.
Die Francis-Turbine
Francis-Turbinen sind am weitesten verbreitet, da sie am universellsten einzusetzen sind. 1849 konstruierte der Ingenieur James B. Francis diesen Turbinentyp, der einen Wirkungsgrad von 90 % erreichen kann. Der Einsatz erfolgt vorwiegend in Laufwasserkraftwerken, vor allem aber in Kleinwasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerken bei geringen Fallhöhen und mittleren Wassermengen.
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Das Wasser gelangt durch ein schneckenförmiges, Spirale genanntes, Rohr, in die Turbine. Zur Regulierung der Turbinenleistung können die Schaufeln des Leitapparats verstellt werden. Durch ein Saugrohr an der Verlängerung der Turbinenachse wird das abgearbeitete Wasser abgeleitet. Die Francis-Turbine hat den Vorteil, dass sie auch als Pumpe eingesetzt werden kann. Diese Eigenschaft macht man sich in Pumpspeicherkraftwerken zu nutze. Dort werden eine Francis-Turbine und der Generator zur sogenannten Pumpturbine zusammengeschlossen. Diese Pumpturbine kann sowohl pumpen als auch Strom erzeugen. Die Drehzahl einer Francis-Turbine beträgt 100 bis 500 U/min.
Die Kaplan-Turbine
Die Kaplan-Turbine wurde in den Jahren 1912 bis 1918 vom österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan aus der Francis-Turbine heraus entwickelt. Sie ist ideal für große Durchflussmengen und für Fallhöhen von 2 bis 60 m.
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Das Laufrad gleicht einer Schiffsschraube mit verstellbaren Schaufeln. Es wird von Wasser umströmt und treibt einen Generator an. Das Leitwerk sorgt dafür, dass das Wasser parallel zur Welle auf die Schaufeln trifft. Die Kaplan-Turbine wird meist vertikal eingebaut, so dass das Wasser von oben nach unten durchströmt. Sie erreicht einen Wirkungsgrad von 95 % und wird bis zu einer Leistung von 125 MW gebaut. Kaplan-Turbinen haben Drehzahlen von 50 bis 150 U/min.
Die Pelton-Turbine
Im Jahr 1889 konstruierte der amerikanische Ingenieur Lester Pelton eine Freistrahlturbine, die s päter als Pelton-Turbine bekannt wurde. Sein »Wasserrad« erinnert stark an das Stossrad. Es arbeitet ausschließlich nach dem Aktionsprinzip, nutzt also nur die Lageenergie des Wassers aus.
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Jedes der bis zu 40 Schaufelblätter teilt sich in zwei Halbschaufeln, sogenannte Becher, in deren Mitte ein Wasserstrahl aus einer oder mehreren Düsen tangential auftrifft. Bei einer Fallhöhe von bis zu 2000 m schießt der Strahl mit einer Geschwindigkeit von über 500 km/h auf die Schaufeln. Dabei werden Leistungen von bis zu 500 MW bei einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % erreicht. Die Pelton-Turbine wird typischerweise in Speicherkraftwerken des Hochgebirges eingesetzt. Ihre Drehzahl liegt bei 400 bis 1000 U/min.