Wasserkraft

Fallhöhe

Betriebsweise

Funktionsprinzip

·        Vorteile: grössere Gefälle, trockene Baugrube

·        Nachteile: kostenintensive Erdarbeiten, Restwasser

·        Einsatzbereich: Laufwasserkraftwerke

·        drehbar gelagerte Laufschaufeln, verstell-barer Leitapparat

·        geeignet für große Durchflussmengen

·        Wirkungsgrad 80-95%

·        einsetzbar bei Fallhöhen von ca. 2-50 Metern

·        universell verwendbare Turbinenart

·        starres Laufrad, Steuerung über Leitschaufeln

·        Niederdruck und Hochdruckanwendung

·        Wirkungsgrad bis zu 90%

·        Beschädigung durch Kavitation möglich

·        Pumpbetrieb möglich

·        Steuerung über 2 bis 6 umliegende Düsen

·        geeignet für große Fallhöhen und geringe Durchflüsse

·        Wirkungsgrad 85 - 90 %

·        Sand im Wasser führt zur Abnutzung der Schaufeln

·        kein Pumpbetrieb möglich

Die Ausbauwassermenge wird so gewählt, dass sie einen optimalen Kompromiss zwischen Energieproduktion, ökologischen Anforderungen und der Verfügbarkeit von Wasser darstellt. Sie hängt von folgenden Faktoren ab:

• Mittlerer Abfluss des Flusses: Die Ausbauwassermenge orientiert sich an der langfristigen Wasserführung des Gewässers.

• Restwassermenge: Es muss eine Mindestwassermenge (Restwasser) im Fluss verbleiben, um ökologische Funktionen aufrechtzuerhalten.

• Turbinenleistung: Die Ausbauwassermenge bestimmt maßgeblich die Dimensionierung der Turbinen und die installierte Leistung des Kraftwerks.

• Jahreszeitliche Schwankungen: In der Regel wird die Ausbauwassermenge so festgelegt, dass das Kraftwerk über das Jahr möglichst oft mit hoher Effizienz betrieben werden kann.

Ist das Auslaufen der Konzession und beschreibt den Prozess, welcher beim Auslaufen dieser geschieht.

Wenn der Heimfall ausgeübt wird gilt:

• Nasse Komponenten (Staumauer, Wasserleitungen, Turbine…) gehen unentgeltlich an den Konzessionär.

• Trockene Komponenten (Generator, Transformator, Stromleitungen…) werden entschädigt (Buchwert).

Der Heimfall wird je nach Kanton unterschiedlich gehandhabt.

• Walliser Modell: 30% Gemeinde, 30% FMV (Forces Motrices Valaisannes), 40% Dritte

• Graubünden Heimfall wird, wenn immer möglich ausgeübt (50% Gemeinde, 50% Kanton)

• Kanton Aargau, Konzession wird verlängert gegen Heimfallverzichtsentschädigung und Ausgleichsmassnahme

In der Schweiz bezieht sich eine Wasserrechtskonzession auf die Erlaubnis, ein öffentliches Gewässer (z. B. Flüsse, Seen oder Grundwasser) für bestimmte Zwecke zu nutzen. Diese Konzessionen werden in der Regel von den Kantonen oder Gemeinden vergeben und sind zeitlich befristet.

Die Konzessionen sind meist mit Auflagen verbunden, etwa zum Umweltschutz, zur Mindestwassermenge (Restwassermenge) oder zur ökologischen Sanierung. Nach Ablauf einer Konzession kann sie verlängert oder neu vergeben werden, wobei oft Umwelt- und Nachhaltigkeitskriterien eine Rolle spielen.

Das Wasser im Flusskraftwerk durchläuft verschiedene Abschnitte:

1. Oberwasser (vor dem Kraftwerk)

• Hohe geodätische Höhe (hg1h_{g1}hg1​): Das Wasser befindet sich oberhalb des Kraftwerks.

• Geringe kinetische Höhe (hv1h_{v1}hv1​): Im Staubecken oder Fluss ist das Wasser meist langsam.

• Hohe Druckhöhe (hp1h_{p1}hp1​): Je nach Kraftwerkstyp kann das Wasser unter Druck stehen.

• Verlusthöhe ist noch gering.

2. Eintritt in die Turbine

• Die geodätische Höhe nimmt ab, da das Wasser nach unten fließt.

• Die Druckhöhe nimmt zu, besonders bei Speicherkraftwerken mit Druckrohren.

• Die kinetische Höhe steigt, da das Wasser beschleunigt wird.

• Es beginnen Verluste durch Reibung und Turbulenzen.

3. Durch die Turbine

• Die Druckhöhe sinkt stark, weil die Turbine Energie entnimmt.

• Die kinetische Höhe nimmt zu, da das Wasser beschleunigt wird.

• Verlusthöhe steigt, da Turbulenzen, Verwirbelungen und mechanische Reibung auftreten.

4. Unterwasser (nach dem Kraftwerk)

• Die geodätische Höhe ist am niedrigsten.

• Die Druckhöhe ist gering, da das Wasser meist in ein offenes Flussbett fließt.

• Die kinetische Höhe kann hoch sein, wenn das Wasser schnell ausströmt.

• Die Verlusthöhe hat ihr Maximum erreicht, da die Turbulenzen im Unterwasserbereich oft noch Energie dissipieren.

Bruttofallhöhe 𝒉𝒇,𝑩 der Überdruckturbine:

Differenz zwischen Ober- und Unterwasserspiegel (0→3)

Bruttofallhöhe 𝒉𝒇,𝑩 der Strahlturbine:

Differenz zwischen Oberwasserspiegel und dem Mittelpunkt des Strahlkreisdurchmessers (= Welle der Peltonturbine) [0→2]

Nettofallhöhe 𝒉𝒇,𝑵:

Differenz der Energiehöhen zwischen dem Eintritts- und Austrittsquerschnitt der Turbine. Fallhöhe über die Strömungsmaschine [1→2]

• Wirkungsgrad des Triebwassersystems: 70-90%

• Wirkungsgrad der Turbine: 88-93%

• Wirkungsgrad des Getriebes: 97-98% (Wenn vorhanden)

• Wirkungsgrad des Generators: 96-98%

• Wirkungsgrad der Umspannanlage: 98-99.5%

• Eigenversorgung der Anlage: 99-99.5%

Kinetische Energie + Druckenergie + potentielle Energie

Annahmen:

• Entlang einer Stromlinie

• Stationäre Strömung

• Reibungsfrei

• Inkompressibel

1. Beurteilung der Ausgangslage für ein Wasserkraftwerksprojekt- hydrologische Grobanalyse, topografische, geologische, bautechnische, rechtliche Situation, etc.

2. Analyse der hydraulischen Eigenschaften am Standort- Wasserführung, Gefälle, Hochwasser, Treibgut, Geschwemmsel, etc.

3. Energieertragsabschätzung- nutzbare Wassermenge, Ausbauwassermenge, Mindestrestwasser, etc.

4. Baukostenabschätzung- baulicher Aufwand, elektromechanische Ausrüstung, gesetzgeberische Auflagen, Ausgleichsmassnahmen, bewilligungsbedingte Verzögerungen, etc.

5. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung- Betriebs- und Unterhaltskosten, finanztechnische Kenngrössen, Ertragssituation, Umfeldveränderungen über die Lebensdauer, etc.

6. Empfehlung- Beurteilung und Empfehlung aufgrund von Wirtschaftlichkeit, Genehmigungs-, Erstellungs-, Betriebs- und Ertragsrisiken, etc.

• HQ: Höschster Abflusswert

• MQ: mittlerer Wasserabfluss

• ZQ: Median Wasserabfluss

• NQ: Niedrigerster Abfluss

• Q347: Restwassermenge

Die Ausbauwassermenge beeinflusst das Produktionsprofil eines Flusskraftwerks erheblich:

• Höhere Ausbauwassermenge → Mehr Leistung bei hohem Abfluss, aber geringere Auslastung in Trockenzeiten.

• Niedrigere Ausbauwassermenge → Konstantere Produktion, aber weniger Energie in Hochwasserzeiten.

• Einfluss auf Netzstabilität → Hohe Ausbauwassermenge führt zu Spitzenproduktion, niedrige sorgt für gleichmäßigere Einspeisung.

• Ökologische Vorgaben → Restwassermengen und Umweltauflagen begrenzen oft die Ausbauwassermenge.

Die optimale Wahl ist ein Kompromiss zwischen maximaler Energieproduktion, Verfügbarkeit und Umweltschutz.

1. Bis 60 l/s → 50 l/s Restwasser, danach +8 l/s pro 10 l/s Q347

2. Bei 160 l/s → 130 l/s Restwasser, danach +4,4 l/s pro 10 l/s Q347

3. Bei 500 l/s → 280 l/s Restwasser, danach +31 l/s pro 100 l/s Q347

4. Bei 2’500 l/s → 900 l/s Restwasser, danach +21,3 l/s pro 100 l/s Q347

5. Bei 10’000 l/s → 2’500 l/s Restwasser, danach +150 l/s pro 1’000 l/s Q347

6. Ab 60’000 l/s → 10’000 l/s Restwasser

1. Beschaffung einer möglichst langen Zeitreihe der Wasserführung am potenziellen Standort.

2. Festlegen der Betriebsgrenze bei Hochwasser.

3. Bestimmung von Q347 und daraus der Mindestrestwassermenge gemäss Gewässerschutzgesetz

4. Bestimmung der Fallhöhe in Funktion der Abflussmenge aus Simulationen oder Messungen.

5. Abschätzen der Ausbauwassermenge aufgrund von Stromgestehungskostenüberlegungen oder einer vorgegebenen Turbinenleistung.

6. Bestimmung der Verluste des Triebwassersystems resp. Dimensionierung des Triebwassersystem aufgrund maximal zulässiger Verluste, z.B. 10% ℎ𝑓,𝐵 bei 𝑄𝐴.

7. Bestimmung des Turbinenwirkungsgrades gem. Herstellerangaben resp. typischer Kurve.

8. Bestimmung der mittleren Leistung sowie Energieertrag je Tag.

9. Bestimmung der mittleren Jahreskennwerte.

Interessen für die Wasserentnahme sind:

• Die öffentlichen Interessen, denen sie dienen soll (Hochwasserschutz),

• Die wirtschaftlichen Interessen des Wasserherkunftsgebiets,

• Die wirtschaftlichen Interessen desjenigen, der Wasser entnehmen will,

• Die Energieversorgung.

Interessen gegen die Wasserentnahme sind:

• Die Bedeutung der Gewässer als Landschaftselement

• Der Lebensraum für die davon abhängige Tier- und Pflanzenwelt (Biodiversität)

• Die Wasserqualität (Einspeisung Kläranlagen)

• Die Erhaltung eines ausgeglichenen Grundwasserhaushalts

• Sicherstellung der landwirtschaftlichen Bewässerung

Umwandlungen:

Einlaufbauwerk und/oder der Druckrohrleitung

• Lage- und kinet. Energie (Bewegungsenergie) des Wassers in Druck- und Bewegungsenergie vor der Turbine

Turbine

• Druck- und Bewegungsenergie über Drehbewegung in mechan. Energie

Getriebe

• mechan. Energie in mechan. Energie (andere Drehzahl)

Generator

• mechan. Energie in elektr. Energie

Transformator

• elektr. Energie in elektr. Energie, um auf Spannungsniveau des Netzes zu kommen

Reaktionsgrad definiert als Anteil des Druckabbaus über rotierende Beschaufelung (Laufrad), bezogen auf den Druckabbau über ganzer Turbine.

• Kaplanturbine

• Propeller-Turbine (starre Laufradschaufeln, Kaplan)

• Rohrturbinen (horizontale Kaplanturbine)

• Kegelradturbine (Rohrturbine mit ext. Generator)

• Straflo Turbine (Generator auf Ring um die Turbine)

• Francisturbine

• Ossberger-Turbinen (Wassrrad)

• Peltonturbine

Francisturbine

• Druckzahl

• Leistungszahl

• Wirkungsgrad

• Drehmomentkoeffizient

• Spezifischer Durchmesser

• Schnelllaufzahl

• Durchmesserzahl

• Spezifische Drehzahl

oder nq/53

lokales Strömungsbild innerhalb Turbine ändert sich in Abhängigkeit von

• Gefällehöhe,

• Volumenstrom

• Drehzahl

Parameter die Kenngrössen der Turbine beeinflussen sind

• hydraulische Leistung

• mechanische Leistung

• Wirkungsgrad

Otto Cordier schlug Darstellungsform vor, die es erlaubt, sämtlich Maschinentypen hinsichtlich ihres Bestpunktes in einem Diagramm zu vergleichen:

Darstellung in doppelt logarithmischen Diagramm von

• spezifischer Drehzahl nq im Bestpunkt (d.h., bei höchstem Wirkungsgrad) vs.

• spezifischem Durchmesser Dq

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