Wasserkraftwerke Seminar Zukunft der Energie, Salem 2008 Behrend Heeren.

Wasserkraftwerke

Seminar „Zukunft der Energie“, Salem 2008Behrend Heeren

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Inhalt

1. Einleitung2. Typen von Wasserkraftwerken 2.1 Aufbau eines Wasserkraftwerkes 2.2 Wasserkraftwerke in Binnengewässern 2.3 Wasserkraftwerke im Meer

3. Grenzen der Nutzung4. Zusammenfassung

• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes

• Typen von Wasserkraftwerken

• Auswirkungen

• Fazit

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1. Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserkraft (Hydroenergie)

- Strömungsenergie von fließendem Wasser, durch Maschinen Umsetzung in mechanische Energie

- früher direkte Nutzung (Wassermühlen), heute Umwandlung in elektr. Energie (Wasserkraftwerke)

- potentielle Energie des Wassers wird auf natürliche Weise erzeugt (Verdunstung, Wind, Regen)

- beim Herunterfließen Umwandlung in kinetische Energie, die vom Menschen genutzt werden kann

- Wasserkraft gehört somit zu den erneuerbaren Energiequellen



• Auswirkungen

• Fazit

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Historische Nutzung: Wasserräder



• PAuswirkungen

• Fazit

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Historische Nutzung: Wasserräder

- Bewässerung in der Landwirtschaft (ca. 1200 v.Chr.)

- Antrieb von Mahlmühlen im römischen Reich (ca. 100 v.Chr.)

- Wassermühlen in Deutschland seit ca. 600 n.Chr.

- ab dem 12. Jhd. weite Verbreitung in Mitteleuropa

- Industrialisierung: Antrieb von Maschinen, Entwässerung von Bergwerken

- ab 19. Jhd. Einsatz von Wasserturbinen

- mit Einführung der Elektrizität entstanden Wasserkraftwerke



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserkraft heute



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserkraft heute (weltweit)

- Nutzungsmöglichkeiten stark abhängig von geographischer Lage

- Norwegen: fast 100% des Strombedarfs aus Wasserkraft, Brasilien und Ghana 80%, Alpenländer 50%

Quelle: BMU



• Auswirkungen

• Fazit

Anteile an der Stromerzeugung weltweit (2005)

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Wasserkraft heute (Deutschland)

- 3,5% des Strombedarfs durch Wasserkraft

- davon 80% in Mittelgebirgsregionen in Bayern und Baden-Württemberg erzeugt

- ca. 7.000 Wasserkraftwerke bundesweit in Betrieb

- ca. 400 Anlagen erzeugen 90%

- Bereich zu 85% schon erschlossen

- Verbesserung in erster Linie durch Modernisierung oder Installation von Werken an vorhandenen Stauanlagen möglich



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserkraft heute (Deutschland)

Quelle: BMU

Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes


• Auswirkungen

• Fazit

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Grundbegriffe (Stromerzeugung)



• Auswirkungen

• Fazit

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Lastzeiten

- Netzbelastung eines Stromnetzes, abhängig von der Tageszeit

- Einteilung in Grund-, Mittel- und Spitzenlast- Grundlast: Netzbelastung, die während

eines Tages (i.d.R.) nicht unterschritten wird (->Schwachlast)

- Mittellast: Bereich, in dem über die Grundlast hinaus zusätzlicher Strom gebraucht wird

- Spitzenlast: kurzzeitig auftretende hohe Leistungsnachfrage



• Auswirkungen

• Fazit

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Lastzeiten



• Auswirkungen

• Fazit

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Kraftwerkstypen

Grundlastkraftwerke:- niedrigste Stromentstehungskosten - keine schnelle Regelbarkeit erforderlich- Bsp: AKW, Braunkohle, WasserkraftMittellastkraftwerke: - besser regelbar als Grundlastkraftwerke- Bsp: SteinkohlekraftwerkeSpitzenlastkraftwerke:- schnell regelbar, hohe Erzeugungskosten- Bsp: Gasturbinen- und

Pumpspeicherkraftwerke



• Auswirkungen

• Fazit

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2. Wasserkraftwerke

• Einleitung

• Aufbau eines Wasserkraftwerkes


• Auswirkungen

• Fazit

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Typen von Wasserkraftwerken

- Lauf- oder Flusskraftwerke- (Pump-)Speicherkraftwerke- Gezeitenkraftwerke- Wellenkraftwerke- Meeresströmungskraftwerke

- Einteilung nach: Auslastung, Bauart, Leistung- Leistung eines Kraftwerkes: Eingespeiste

Strommenge im Kalenderjahr dividiert durch Jahresstundenzahl

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Aufbau

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserturbine

- wandelt kinetische Energie von Flüssigkeiten in Dreh- oder Rotationsenergie um

- Laufschaufeln werden durch Wasserstrom in Drehung versetzt

- Drehung wird zum Antrieb eines Generators benutzt

- wandelt Rotationsenergie in elektrischen Strom um

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserturbine

Leistung P (in Watt): - Wirkungsgrad η, Wasserdichte ρ,

Erdbeschleunigung g, Durchflussvolumen V, Fallhöhe h:

P = η * ρ * g * h * V

- sehr hoher Wirkungsgrad (bis über 90%)

- geringe Fallhöhe kann zB durch großes Durchflussvolumen kompensiert werden und umgekehrt

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserturbine

- Turbine muss den unterschiedlichen Fallhöhen und Durchflussmengen der Anlage angepasst sein

- individuelle Anfertigung für Großkraftwerke

- Besonderheit: aufwendige Regelung ihrer Drehzahl bei immer leicht schwankenden Durchflussmengen

- Anteil am Investitionsvolumen: Großanlagen 20%, Kleinanlagen 50%

- jedoch erhebliche Lebensdauer (>60 Jahre)

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Itaipu-Kraftwerk (Brasilien)

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Typen von Wasserturbinen

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Wasserkraftwerke in Binnengewässern

• Einleitung

•Aufbau eines Wasserkraftwerkes


Auswirkungen

• Fazit

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Lauf- und Flusskraftwerke

- keine Speichermöglichkeit des Wassers

- Flusswasser wird durch Turbine geleitet (Francis oder Kaplan)

- geringe Fallhöhe, hohe Durchflussmengen

- Wehranlagen steigern Durchfluss und Fallhöhe

- Stromerzeugung rund um die Uhr, gute Auslastung der Turbinen und geringe Betriebskosten -> Grundlastkraftwerk

- jedoch jahreszeit- und tidebedingte Schwankungen

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Strombojen

- Boje mit Turbine und Generator, im Fluss verankert- Einsatz in mittleren bis großen Flüssen:

Flussbreite: >4m Flusstiefe: >2m- Voraussetzungen: ruhige, gleichmäßige, schnelle

Strömung; Fließgeschwindigkeit: >2m/s

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Strombojen

Unterschiede zu traditionellen Flusskraftwerken:

- bauliche Veränderungen im Fluss nicht erforderlich

- in bisher nicht nutzbaren Flussabschnitten einsetzbar

- kann leicht wieder entnommen werden- kaum Veränderung des Landschaftsbildes- keine Behinderung der Schifffahrt- kaum ökologische Beeinträchtigungen

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Speicherkraftwerke

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Speicherkraftwerke

- Wasser wird in einem Stausee gesammelt

- natürlicher Ursprung oder Aufstauen mittels einer Staumauer oder einem Staudamm

- Nutzung der hohen potentiellen Energie des gespeicherten Wassers

- über Rohrleitungen wird das Wasser auf die Turbine am Fuß der Staumauer geleitet (Pelton-Turbinen)

- durch hohes Gefälle ist Stromerzeugung schon mit geringer Wassermenge möglich

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Speicherkraftwerke

- Einteilung nach Füll- und Entleerungsrhythmus

- Vorteil gegenüber anderen Kraftwerken: Leistung steht binnen kürzester Zeit zur Verfügung, zudem sehr gut regelbar ->Spitzenlastkraftwerk

- Speicherkraftwerke können Ausfälle anderer Kraftwerke kurzfristig überbrücken

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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- dient zur Speicherung elektrischer Energie durch Umwandlung in potentielle Energie

- Schwachlastzeiten: Energieaufwand

- Höhe ist abhängig von Wassermenge

- in Spitzenlastzeiten wird Strom produziert (Funktionsweise wie beim Speicherkraftwerk)

- sehr flexibel regelbar, Leistung innerhalb Minuten abrufbar ->Spitzenlastkraftwerk

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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- zählen nicht zu erneuerbaren Energiequellen

- es wird mehr Energie zum Hochpumpen benötigt als anschließend gewonnen werden kann

- Alternativen energetisch ungünstiger

- steigende Bedeutung (Ausbau Windenergie)

- Problem: große Entfernungen zwischen Standorten von Windkraftanlagen (Küste) und PSKW (Mittelgebirge)

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Wasserkraftwerke im Meer

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Gezeitenkraftwerke

- nutzt Lageenergie des wechselnden Meeresspiegels- entnehmen Energie letztlich der Erddrehung und

Anziehungskraft zwischen Erde, Mond und Sonne- funktionieren nach dem Staudamm-Prinzip- werden an Meeresbuchten oder Flussmündungen

mit besonders hohem Tidenhub (>5m) errichtet

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Gezeitenkraftwerke

1. Phase 2. Phase

3. Phase 4. Phase

Meer Staubecken

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Gezeitenkraftwerke

- weltweit nur ca. 100 geeignete Stellen (Buchten)

- durch Tidenabhängigkeit unregelmäßige Leistungen

- durch Salzwasser starke Abnutzung der Turbinen

- werden nur geringen Anteil zur Stromerzeugung leisten können

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Strömungskraftwerke

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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- Strömungskraftwerke nutzen Meeresströmungen

- Funktionsweise wie bei Windenergieanlagen

Unterschiede zu Windenergieanlagen:1. Meeresströmungen berechenbarer als Wetter

(Wind) und permanent vorhanden2. durch hohe Dichte des Wassers geringere

Strömungsgeschwindigkeit notwendig (ca. 2 m/s)

3. wesentlich kleinere Rotorblätter (1/3 = 20m)

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Vorteile gegenüber Gezeitenkraftwerken:

- kann nicht nur in Intervallen eingesetzt werden, nur bei Gezeitenwechsel kurzer Stopp

- weit mehr Standortmöglichkeiten, da nicht vom Tidenhub abhängig

- keine sichtbare Veränderung der Landschaft

- (wahrscheinlich) keine Beeinträchtigung für Pflanzen- und Tierwelt (langsame Rotation)

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

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Wellenkraftwerke

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

41

Wellenkraftwerke

Potentiale:- Wellen stellen enormes Energie-Potential bereit- Experten rechnen langfristig mit geringen

Erzeugungskosten (bis zu 4Ct/kWh, heute 10Ct/kWh)

Einschränkungen:- Zerstörungskraft von Riesenwellen- mit dem Wellengang schwankende Leistungen

Realität:- generell sehr viele verschiedene Prinzipien und

Ideen- 2004 waren weltweit ca. 15 Kraftwerke in Betrieb

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

42

Wellenkraftwerke

Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC)- Betonkammer mit Öffnung, durch welche die Wellen

Wasser in den Hohlraum drücken- mit Fallen und Steigen des Wasserspiegels wird Luft

in Röhre hinaufgedrückt bzw. hinuntergesaut

- Luftstrom treibt eine Turbine an- bisherige Leistungen

enttäuschend, Verbesserungen geplant

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

43

Wellenkraftwerke

Auftriebskörper („Die Seeschlange“)- Stahlrohre, über Gelenke gekoppelt- hydraulische Pumpen, die Generator

antreiben- relativ geringe Umweltbelastung

(keine Fundamente)- resistent gegenüber „Monsterwellen“- Problem: 250l Öl-Füllung, jedoch

Alternativen geplant

• Einleitung



Auswirkungen

• Fazit

44

3. Grenzen der Nutzung

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

45

(Ökologische) Auswirkungen

Stauanlagen: Ausstoß von Methangas und großer Mengen

CO² bei Überflutung von ungerodetem Land geophysische Wirkungen des

Wassergewichtes (Erdbeben) Dammbrüche (Kettenreaktionen) Vertreibung und Zwangsumsiedlungen

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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(Ökologische) Auswirkungen

Flusskraftwerke: 21% der kartierten Gewässer höchstens

„mäßig verändert“ Verlust der Flussdynamik

(Geschiebetransport) Ausfall von ökologisch wichtigen

Überflutungen Beeinträchtigung von Fischwanderungen

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Das Assuan-Kraftwerk (Ägypten)

Jährliche Nilüberschwemmungen unterbunden, dadurch: 1. Mangel an natürlichem Dünger (vor allem Lehm),

Import von teurem, ökol. gefährdendem Kunstdünger2. Nährstoffentzug für Fische 3. Rohstoff der Töpfer- und Ziegelindustrie entzogen4. Rattenplagen (vorher Dezimierung durch

Überschwemmung)

stehendes Wasser hinter dem Damm fördert Ufererosion,

zudem Auftreten von Malaria und Bilharziose

schnelle Verschlammung des Stausees (hohe Kosten)

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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Drei-Schluchten-Damm

Konflikt von Hochwasserschutz und Energiegewinnung

Freisetzung von Methangas durch Verrottung der Vegetation

Versandung, Nährstoffentzug für Ackerland flussabwärts

Bedrohung von Tier- und Pflanzenarten Erbauung in erdbebengefährdetem Gebiet

-> Dammbruch (Zwangs)Umsiedlung von 2 Mio. Menschen

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

49

4. Zusammenfassung

• Einleitung



•Potentiale und Auswirkungen

• Fazit

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Zusammenfassung

Wasserkraft schon sehr stark genutzte EEG mit hohem Anteil an der Stromversorgung (weltweit 16%)

in Deutschland fast vollständig erschlossen und stagnierend (3,5%)

zuverlässige und gleichmäßige Versorgung (Grundlast)

PSKW wichtig für Spitzenlast (Ausgleich Windkraft) hohes Potential in Meereswellen und –strömungen,

jedoch hohe Investitionskosten und bis jetzt wenig Praxiserfahrung

vor allem bei Staudamm-Projekten starke ökologische Beeinträchtigungen, Umsiedlungen, Sicherheitsrisiken

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

51

Kenngrößen

• Einleitung



•Auswirkungen

• Fazit

Typ Name Leistung*

Flusskraftwerk

Rhein-KWe <110MW

größtes in Deutschland

Stromboje <20kW ->140kW, Parks: ->2MW

Speicher-KW/ Stauanlage

Walchensee

124MW größtes in Deutschland

3Schluchten

18.000MW

größtes weltweit

PSKW Goldisthal 1060MW größtes in Deutschland

Gezeiten-KW <260MW

->5000MW geplant

Strömungs-KW

Sea Flow 300kW kein Netzanschluss

Hammerfest

300kW Prototyp

Wellen-KW OCW <200kW ->1,5MW

Seeschlange

750kW Parks bis 25MW geplant

*Vergleich: Braunkohle ->3000MW, Steinkohle ->2000MW, AKW ->1500MW

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Ende

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

Fragen???

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Quellen

www.wikipedia.de www.buch-der-synergie.de www.bmu.de www.energie-fakten.de www.wasserkraft.org

• Einleitung



• Auswirkungen

• Fazit

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