Wasserkraft

Diese Energie wird durch die Bewegungsenergie des Wassers durch Turbinen in elektrische Energie umgewandelt. Sie ist bis jetzt der grösste regenerative Energieproduzent Deutschlands und der Welt insgesamt.

Wasserkraft

Das sind in Deutschland aber nur 5 % der gesamten Energie. Weltweit liefert Wasser 20 % des Stroms. Norwegen, Island und Ghana produzieren zu fast 100 % aus Wasserkraft. Da der Bau von riesigen Wasserkraftanlagen in den Entwicklungsländern oft zur Vertreibung von Menschen und zu Umweltproblemen kommt ist es sinnvoller Wasserkraftwerke dezentralisierter zu nutzen.

In Deutschland gibt es etwa 300 Laufwasserkraftwerke mit der Leistung über 1 MW und ca. 7000 Kleinanlagen mit durchschnittlich 57 KW. Aber man kann diese Energie nicht speichern. Es gibt verschiedene Turbinentypen.

  • Kaplanturbine
    Das Laufrad dreht sich so ähnlich wie bei einer Schiffsschraube im Wasserstrom. Verwendung bei Fallhöhen von 10 -70 m.
  • Francisturbinen
    Funktionsprinzip wie bei der Kaplanturbine nur die Fallhöhe unterscheidet sich der Kaplanturbine mit 50 -800m und großenWassermengen. Man kann mit ihr bis zu 8000MW erreichen.
  • Peltonturbine
    Sie erinnert an die klassischen Stosslaufräder. Die Höhen betragen bis zu 1000m.

Eine andere Möglichkeit zur Nutzung der Wasserkraft ist das Gezeitenkraftwerk. Es wird dabei Ebbe und Flut ausgenutzt. Deshalb sperrt man eine Bucht, bei Flut fliesst das Wasser herein bei Ebbe wieder heraus. Beide Male werden Turbinen angetrieben. Diese Technik ist für Deutschland ungeeignet.

1. Nutzung der Wasserkraft

Das Prinzip der Nutzung der Wasserkraft beruht darauf, dass die

  • potentielle (angestaute) oder kinetische (die Strömungs ) Energie einer Wassermenge durch das Überwinden von Höhenunterschieden frei wird
  • diese wird dann in sekundäre Energie (Bewegungsenergie) der Turbine umgesetzt
  • die Turbine kann durch einen angekoppelten Dynamo die sekundäre Energie zu elektrischer Energie umwandeln

1.1. Die Kraftwerkstypen werden unterschieden nach Fallhöhe in:

  • Niederdruckanlagen mit Fallhöhen von 1 -20 m
  • Mitteldruckanlagen von 20 -100 m
  • und Hochdruckanlagen bis über 100m

und nach Betriebsweise in:

  • Laufkraftwerke
  • Speicherkraftwerke

1.2. Laufkraftwerke sind:

1.2.1. Das Gezeitenkraftwerk

  • ist eine Niederdruckanlage
  • die von den Gezeiten entstehende Flut fließt durch die Einlässe des Dammes der einen Teil des Meeres abschließt
  • das durch die Einlaßtore strömende Wasser treibt die Turbinen an
  • das Wasser wird hinter dem Damm gestaut
  • bei Ebbe wird das aufgefangene Wasser abgelassen, wobei es wiederum Turbinen antreibt
  • solche Gezeitenkraftwerke arbeiten am effektivsten, wenn der Unterschied zwischen Ebbe und Flut sehr groß ist
  • den größten Unterschied zwischen Ebbe und Flut auf der Welt gibt es in der Fundybay in Kanada, wo die Differenz 18 Meter beträgt

1.2.2. Das Laufwasserkraftwerk

  • das Laufwasserkraftwerk ist eine Niederdruckanlage
  • Laufwasserkraftwerke nutzen das fließende Wasser des Flusses um Strom zu erzeugen, ohne ihn dabei aufzustauen
  • bei einem Laufwasserkraftwerk reicht die Durchströmgeschwindigkeit des Wassers aus, um das Kraftwerk effizient arbeiten zu lassen
  • die Wassermenge wird mit Hilfe von einer Kaplan-Turbine zur Stromerzeugung genutzt

1.3. Speicherkraftwerke sind:

1.3.1. Das Speicherkraftwerk oder Talsperrenkraftwerk

  • ist meistens eine Hochdruckanlage
  • In einem Speicherkraftwerk wird das Wasser in großen Mengen an einem Damm angestaut
  • je höher die Stauhöhe ist desto größer ist der Druck in den unteren Schichten des Wassers
  • durch den hohen Druck strömt das Wassers durch die Turbinen und setzt diese in Bewegung
  • ein Speicherkraftwerk dient außerdem zum Hochwasserschutz, zur Trinkwasserversorgung, zur Bewässerung und zur Wasserbevorratung für Trockenzeiten

1.3.2. Das Pumpspeicherwerk

  • ein allen bekanntes Beispiel dürfte das Pumpspeicherwerk Niederwartha sein
  • das Pumpspeicherwerk eine Hochdruckanlage und ein Speicherkraftwerk
  • während der Nacht wird mit Hilfe von überschüssigem elektrischem Strom Wasser in ein hochgelegenes Speicherbecken gepumpt
  • bei Entnahme am Tag treibt das gespeicherte Wasser, das durch Fallrohre einen großen Druck erzeugt, Turbinen an

1.3.3. Das Gletscherkraftwerk

  • ist eine Hochdruckanlage
  • Gletscherseen werden an ihrer tiefsten Stelle angebohrt
  • das Wasser wird über ein Rohrsystem zu einem manchmal weit entfernt gelegenen Kraftwerk bzw. durch dessen Turbinen geleitet
  • auch im Winter kann noch Strom erzeugt werden, da die Seen nicht ganz bis nach unten gefrieren

1.3.4. Das Wellenkraftwerk

  • Wellenkraftwerke sind erst in der Entwicklungsphase
  • Eine Plattform wird durch Wellen angehoben bzw. abgesenkt
  • wenn die Platte angehoben wird, presst sie Luft durch Turbinen in Kammern
  • umgedreht wird die Luft wieder herausgepresst, wenn sich die Plattform wieder absenkt
  • hierbei wird beide Male Energie gewonnen

1.4. Turbinen

Einsatzbereiche der verschiedenen Turbinentypen:

  • in erster Linie bestimmen Fallhöhe und Wassermenge die Wahl der Turbinenart
  • Kaplan-Turbinen werden für große Wassermengen bei geringer Fallhöhe eingesetzt, meistens in Flußkraftwerken
  • in Speicherkraftwerken mit großer Fallhöhe und vergleichsweise geringer Wassermenge verwendet man Pelton-Turbinen
  • die Francis-Turbine ist am weitesten verbreitet, weil sie universell einsetzbar ist
  • die Einsatzbereiche überlappen einander

1.5. Turbinentypen

1.5.1. Pelton-Turbine

  • Erfinder der 1848 entwickelten Pelton -Turbine (auch Freistrahl -Turbine oder Becher – Turbine genannt) war L.A. Pelton
  • Funktionsweise: Wasser wird durch ein sich verengende Rohre in die Schaufel des Peltonrades gedrückt – Geschwindigskeitsenergie entsteht -> radiale Drehbewegung
  • Fallhöhe: 550 bis 2000m
  • Leistungen: bis zu 500 MW
  • Wirkungsgrad: über 90%

1.5.2. Francis-Turbine

  • Erfinder der Francis- Turbine, die 1849 entwickelt wurde, war J.B. Francis
  • Funktionsweise: Das Wasser wird in Spiralgehäuse, in dem sich das feststehende Leitrad befindet gedrückt. Dieses besteht aus einem rundem Kranz mit vielen schräggestellten Schaufeln und hat den Zweck, dem aus dem Gehäuse allseitig zuströmenden Wasser eine bestimmte Richtung zum Laufrad zu geben. Danach fließt es nach unten durch das Laufrad ab.
  • Fallhöhe: bis zu 800m
  • Leistung: bis zu 750 MW
  • Wirkungsgrad: bis zu 90%

1.5.3. Kaplan-Turbine

  • Erfinder der Kaplan- Turbine war Prof. V. Kaplan
  • Funktionsweise:
  • das Wasser wird axial zu den Schaufeln geführt
  • danach fließt es radial durch die Schaufeln, welche durch ihre schräge Anordnung die Turbine antreiben.
  • Fallhöhe: bis zu 200m
  • Leistung: bis zu 125 MW
  • Wirkungsgrad: bis zu 95%

2. Vor- und Nachteile der Nutzung der Wasserkraft

Vorteile

  • Umweltfreundlich, da keine Schadstoffe
  • kein Verbrauch natürlicher Ressourcen
  • geringe Abgabe von Wärme
  • hoher Wirkungsgrad (etwa 90%)
  • lange Lebensdauer einer Anlage
  • einfache und bewährte Technologie
  • niedrige Betriebskosten aufgrund geringer Erfordernisse an Wartung und Bedienung
  • Schnelligkeit des Anstellens und Abstellens einer Anlage
  • Vorteile bei Mehrzwecknutzung (Bewässerung, Schiffahrt, Hochwasserschutz, Trinkwasserversorgung )
  • Energiespeicherungsmöglichkeit
  • Ausbleibende Hochwasser

Nachteile

  • vergleichsweise hohe Investitionskosten
  • häufig grosse Entfernungen zwischen günstigen Wasserkraftstandorten und Verbraucherzentren
  • Energieerzeugung ist bei Wellenkraftwerken unregelmässig
  • Überstauung anderweitig nutzbarer Flächen und ökologisch wertvoller Lebensräume
  • soziologische Effekte aufgrund von Umsiedelungen
  • Unterbrechung und Einschränkung des Lebensraumes für Wanderfische
  • Störung des Wasserhaushalts in der Umgebung
  • Herabsetzung der Fliessgeschwindigkeit, was oberhalb der Stauanlage zu Ablagerungen und unterhalb zur Erosion, also Abtragung des Geländes, führt
  • Störung des Lebensraums vieler im Wasser lebender Tierarten und Pflanzenarten
  • Wasserveränderungen treten ein wie: Sauerstoffarmut, Temperaturveränderung, Änderung der Strömungsverhältnisse und Zunahme an Nährstoffen die zu ungewollten Pflanzenwachstum
  • Hebung des Grundwasserspiegels
  • Störung des biologischen Gleichgewichts

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