Wasserkraft

• Etwa 20-30% der einfallenden Solarstrahlung geht in den Wasserkreislauf (> 10^6 EJ)

• Jährlicher Niederschlag liegt bei ca. 5 x 1014 m³, davon gehen ca. 22,4 % über der Erdoberfläche nieder

  • theoretisch nutzbar

• Die daraus resultierende kinetische und potentielle Energie wird weltweit auf ca. 200 EJ geschätzt

• Laufwasser- und Speicherkraftwerke

  • Nutzung der potentiellen Energie von Niederschlagswasser

• Gezeitenkraftwerke

  • Nutzung der Gezeiten, kommen durch Gravitation von Mond und Sonne zustande

• Wellenkraftwerke

  • Nutzung der kinetischen und potentiellen Energie der Wellen

• Strömungskraftwerke

  • Ausnutzung von Meeresströmungen

• In Laufwasser-und Speicherkraftwerken wird die potentielle Energie von Niederschlagswasser genutzt

• Voraussetzungen

  • Möglichst hohe Niederschlagsmengen

  • Entsprechende Topologie, d.h große Höhenunterschiede

• Hindernisse bei der Erschließung des Potentials

  • Ökologische Gründe: Landschaftsschutz, Erhaltung der Fließgeschwindigkeit, Tierschutz

  • Ökonomische Gründe: Schiffbarkeit von Gewässern, Trinkwasserversorgung

  • Politische Gründe: Grenzüberschreitende Flüsse

• Aus der Bernoulli-Gleichung

• Laufwasserkraftwerke benötigen einen großen Volumenstrom (viel kinetische Energie), da kaum Höhenunterschied besteht

• Speicherkraftwerke sind aufgrund des höhenunterschiedes nicht unbedingt auf große Volumenströme angewiesen

Niederschläge:

• Jahresniederschläge unterliegen deutlichen Schwankungen

• Typischerweise etwas höhere Niederschläge in den Monaten Mai bis August

  • Je nach topografischer Lage stärker ausgeprägt

Abflussmenge von Flüssen:

• starke Schwankungen im tagesmittleren Abfluss

Gezeiten:

• periodisch

Wellen:

• gute Mittelung

• Pumpspeicherkraftwerke beziehen Wasser aus Reservoir (Oberbecken)/ Wasser muss in Zeiten von Energieüberschuss zurückgepumpt werden (Regelmöglichkeit mittels Ventil)

• Speicherkraftwerke beziehen Wasser aus Stausee (Oberbecken)/ dieser füllt sich durch einen natürlichen Zufluss wieder auf (Regelmöglichkeit mittels Ventil)

• Laufwasserkraftwerke besitzen keinen Höhenunterschied und beziehen die Energie daher aus der kinetischen Energie des Wassers (Regelung möglich über einen Wehr)

Laufwasserkraftwerk:

(Pump-) Speicherkraftwerk:

• Wasserturbinen haben generell hohe Auslegungswirkungsgrade von >85%

• Wirkungsgrad von Wasserkraftwerken typischerweise bei ca. 80 bis 85%

• Pumpspeicher ca. 80%

• Bewegungs- bzw. Lageenergie des Wassers -> kinetische Energie -> mechanische Energie (Turbine) -> elektrische Energie (Generator)

Verluste:

• typischerweise geringe Verluste

• Reibungsverluste in Rohrleitungen etc.

• Verluste in der Turbine

• Generatorverluste

• Bezüglich des PE-Verbrauchs pro GWh und des CO2 Ausstoßes weisen Wasserkraftwerke (nominell) die besten Eigenschaften aller Regenerativen Kraftwerke auf

• ABER: es treten signifikante Umwelteffekte und Einflüsse auf die Umgebung und das Ökosystem auf, z.B.:

  • Umsiedlung von Menschen für Staudammprojekte

  • Verstärkte Sedimentation in den Staubereichen (Regelmäßiges ausbaggern erforderlich)

  • Erhöhung der Wassertemperatur, Reduktion des Sauerstoffgehaltes

  • Barrierewirkung für Lebewesen

  • Enorme Bildung von Methan und Faulgasen

Theoretisches Potential:

• Mittlere Jahresfracht der Fließgewässer und vorhandenes Gefälle in den Wasserläufen

• 333,6 PJ/a -> Resultierendes theoretisches Stromerzeugungspotenzial: 92,6 TWh/a

• Davon allein ~64% in Rhein, Donau, Inn und Elbe

Technisches Potential:

• Einbeziehung der Verluste und des real nutzbaren Anteils des Abflusses

• 33-42 TWh/a

• Bereits genutzt sind ~20 TWh/a -> Großteil in Süddeutschland

  • Restliches möglich nutzbares techn. Potential muss gegen ökologische Kriterien abgewogen werden

Nutzbares Potential:

• ~80% genutzt

• Zusätzlich erschließbares Potential in erster Linie durch Optimierung, Modernisierung und Reaktivierung bestehender Anlagen

• weiteres nicht genutztes Potential hauptsächlich in Ostdeutschland

• Großteil der installierten Leistung in Asien und auf dem Amerikanischem Kontinent

• weiteres Potential in Süd-Asien und Süd-Amerika

• Installierte Leistung in Deutschland: ca. 5,7 GW

  • größtenteils gesättigt

  • kaum noch Möglichkeiten Wasserkraftwerke zu errichten

    • Begrenzt durch Schifffahrt, Umweltschutz

• Insgesamt rund 7600 Anlagen, davon etwa die Hälfte in Bayern

  • Überwiegend kleinere Anlagen mit Schwerpunkt in Süddeutschland

• ~86 % des gesamten Regelarbeitsvermögens der großen Wasserkraftanlagen liegt an neun großen Flüssen

  • Inn, Rhein, Donau, Isar, Lech, Mosel, Main, Neckar, Iller

• Stromproduktion 2018 lag bei ca. 18 TWh

  • 10% der Leistung aus Erneuerbaren

  • Weniger Leistung als in Vorjahren wg. Trockenheit

• Bauwerk zur Wasserfassung

  • Staudamm, Staumauer, Wehr

• Oberwasserzuführung

  • Wasserkanäle, Stollen, Schäche, Leitungen

• Turbine und Generator

• Unterwasserseitige Ableitung

  • Stollen, Leitungen

• Anhand des Betriebs:

  • Laufwasser- Speicher- Pumpspeicherkraftwerk

• des Ausbaus:

  • Flusskraftwerk (mit/ ohne Speicher)

  • Talsperrenkraftwerk

  • Umleitungskraftwerk

• der Fallhöhe:

  • Niederdruck (1-20m)

  • Mitteldruck (20-100m)

  • Hochdruck (>100m)

• und der Leistung:

  • Kleinkraftwerke (<1 MW)

  • Mittelkraftwerke (1-100 MW)

  • Großkraftwerke (>100 MW)

• Pelton-Turbine

• Francis-Turbine

• Kaplan-Turbine

• Durchströmturbine

• (Wasserrad)

• funktionieren mit geringem Energieangebot

  • geringe Fallhöhen bis 10 m

  • langsamer Durchfluss bis 2 m^3/s

• geringe Drehzahlen, oft mechanisch direkt an Verbraucher angeschlossen

• Unterscheidung in Mitte-, Ober- und Unterschlächtig

Pelton-Turbine: Impulsturbine, 90%

• Hochgebirge, hohe Gefälle (150-2000m), geringe Volumenströme (0,02-70 m^3/s)

Francis-Turbine: 90%

• Talsperren, mittlere Gefälle (20-700m), mittlere Volumenströme (0,3-1000 m^3/s)

Kaplan-Turbine: Reaktionsturbine, 90-95%

• Flüsse, kaum Gefälle (2-60m), große Volumenströme (4-2000 m^3/s)

Durchströmturbine: 84-87%

• Kleinkraftwerke, mittlere Gefälle (3-200m), kleine Volumenströme (0,03-13 m^3/s)

• Teilbeaufschlagte Gleichdruckturbine

  • Teils auch beaufschlagen mehrere Düsen die Turbine an unterschiedlichen Stellen

  • Läufer rotiert in umgebener Luft -> Ventilationsverluste

• Reine Impulsturbine

  • nur Umlenkung, kein Auftrieb

• “Kuhle” an Schaufelspitze, damit der Strahl sofort auf das nächste Blatt überspringen kann

• Aus chrom-nickel Stahl gegossen -> Erosionsgefahr

• Regelung über Massenstrom

  • bei Änderung des Düsenquerschnitts sollen Druckverluste konstant bleiben

  • Pelton-Düse ist stark Verschleißgefähdet -> daher aus hochfestem Material

• Träge Regelung

  • Düse darf nur langsam schließen, sonst Druckstoß

  • für schnelle Drehzahländerung werden Strahlablenker verwendet -> Überbrücken Zeit bis Düsennadel den Querschnitt verengt hat

• Gutes Teillastverhalten/ weiter konst. Bereich

• Reaktionsturbine mit radial durchströmtem Leitgitter und radialem Laufrad

  • Druckabbau im LE und LA

• Für kleine Leistungen bis zu Leistungen von 700 MW

• Merkmal: Verstellbare Leitschaufeln

(1): Wasserzufluss

(2): Gehäuse

(3): Verstelllbares LE

(4): LA

(5): Wasserabfluss

• Regelung durch LE-Verstellung bei gleichbleibender Drehzahl

  • Veränderung des Volumenstroms

• Einfluss auf Geschwindigkeitsdreiecke:

  • Höhere Verluste in Laufradzuströmung

  • Höhere Geschwindigkeit in Abströmung, dadurch höherer Austrittsverlust (Nutzbare kinetische Energie bleibt ungenutzt)

(gestrichelt: Auslegungszustand, ausgezogen: Teillast)

a) Leitschaufelschnitt; b) und c) Eintrittsdreiecke unmittelbar vor b) und hinter c) dem Laufradeintritt

• Radialer Leitapparat, axial durchströmte Laufschaufeln

• Für hohe Volumenströme und niedrige Gefälle

• Verstellbare LE und LA

• (Ausführungen mit erhöhter Flügelzahl -> mehr Umlenkung -> Gefälle)

(1): Wasserzufluss

(2): Verstellbare LE

(3): Laufradnabe

(4): Verstellbare LA (Besonderheit)

(5): Turbinenwelle

(6): Wasserabfluss

• großer Bereich

• kann durch anpassen der LA-Stellung Lastverhalten im großen Bereich konstant halten

• Volumenstrom und Gefälle

  • für hohe Gefälle ergibt sich ein kleines Sigma -> hohe Umlenkung (Aktionsstufe/ Impuls)

  • für hohe Volumenströme ergibt sich ein hohes Sigma -> kleine Umlekung (Reaktionsstufe)

• Aktions- oder Reaktionsstufe

(Von großer Sehnenlänge, hohe Umlenkung zu kurzer Sehne)

• Wellen entstehen durch Reibung zwischen Wasseroberfläche und Luftströmungen

• Druckunterschiede durch ungleichmäßige Beschleunigung der ersten Wasserschicht führen zu heben und senken der Oberfläche

• die dann vergrößerte Angriffsfläche bedingt stärkere Druckschwankungen

• Entstehung von periodischen Wellen

  • können sich über weite Strecken nahezu ohne Energieverlust bewegen

  • Wellenlängen und Laufgeschwindigkeit verringert sich mit sinkender Wassertiefe -> Reibung am Meeresgrund führt zu Verlusten

• entlang von Meereswellen findet KEIN Massentransport statt, nur Energie

Potential:

• im Bereich großer Meeresströmungen

• Ober- und Unterhalb des Äquators am größten -> Passatwinde regen Oberfläche an

• 18.000-29.500 TWh, jedoch nur 10% nutzbar

(Vergleich Windkraft ~960 TWh)

Wellenkraftwerke nutzen mit verschiedenen Technologien die Energie in der periodischen Hub- und Senkbewegung des Wassers:

• Hydraluic system

  • Oscillating Wave Surge Converters (OWSC)

  • Point-Absorber

• Air chamber + air turbine (Standart)

  • Oscilating Water Column (OWC)

• Accumulator + hydro turbine

  • Overtopping-Anlagen

• Direct mechanical drive system

• Direct electrical drive system

  • Point-Absorber

Teilsysteme von Wellenkraftwerken:

• Hydrodynamisches Teilsystem (PTO: Power take off system)

  • absorbiert kinetische und potentielle Energie

• Energiewandlungseinheit

• Stabilitäts Teilsystem

• Regeleinheit

• Oscilating Water Column (OWC)

  • Verdrängte Luftvolumen wird durch eine Windturbine gedrückt, bzw. saugt beim Absteigen Luft ein

    • Anströmrichtung der Turbine ändert sich

    • Symmetrisches Profil

  • Landbasiertes System, teils seebasiert

    
    

OWC:

• Overtopping-Anlagen

  • Wellenenergie -> potentielle Energie

    • Wasser wird in Reservoirs gesammelt -> Ablauf durch Turbine

  • land- und seebasiert

  • Wirkungsgraderweiterung durch Reservoir in verschiedenen Höhen

Overtopping-Anlagen: (Landbasiert)

(Seebasiert)

• Oscillating Wave Surge Converters (OWSC)

  • Fluidenergie wird mittels Kolben auf einen Motor übertragen

    • Schubkraft der Welle wird von einer Platte absorbiert und an einen Ölkolben Übertragen

    • Luft in einem Auftriebskörper sorgt dafür das sich die Platte wieder aufrichtet

• Point-Absorber

  • Schwimmkörper mit Energiewandler darunter

  • Translatorische Relativbewegung zwischen Schwimmkörper und Wandler

    • nur geringe räumliche Ausdehnung

  • Ausführung als “hydraulic system” und “direct eletrical drive system”

• Andere Ausführung des Point-Absorbers -> Submerged Pressure Differentials

  • 2 ineinander laufende Hohlzylinder, werden durch die Wellenkräfte gegeneinander bewegt

  • Zusammenstauchen der Zylinder bewirkt Druckunterschied

(hydraulische Leistungsabnahme)

(Magnet in Spule)

Submerged Pressure Differentials

• Attenuator

  • Längs zur Ausbreitungsrichtung der Wellen angeordneter Schwimmkörper, bestehend aus Segmenten, die sich gegeneinander bewegen können

• Terminator

  • Quer zur Ausbreitngsrichtung angeordnet

  • Energieabsorption z.B. durch rotatorisch bewegliche Massen

Attenuator:

Terminator:

• Gezeiten entstehen durch Gravitationskräfte von Mond und Sonne- Aufteilung ca. 2/3 : 1/3

• Ein großer Vorteil ist, das sie berechenbar sind

• Tidenhübe können von ~1m auf offener See, über durchschnittliche 10-13m in Küstennähe (durch Resonanzerscheinung vergrößert), bis zu 21m hoch werden

• Weltweites Potential ~300GW (ca. 9,5 EJ im Jahr)

Gezeitenkraftwerk:

• Nutzt Höhenunterschiede -> Aufstau bei Flut, Ablauf bei Ebbe

  • größte Kraftwerk der Art mit 254 MW installierter Leistung in Südkorea

• Nutzung der in der Strömung enthaltene kinetische Energie

  • Wie bei WEA: Geschwindigkeit geht in dritter Potenz in Leistung ein (P=rho*c^3*A) -> Da Dichte deutlich höher ist erreichen diese Kraftwerke trotz niedriger Geschwindigkeit hohe Leistungen von ~1,2 MW

Potential:

• 22.000 TWh, jedoch nur 10% nutzbar (Vergleich Windkraft ~960 TWh)

(Besonderheit Strömungskraftwerk)