Wasserkraft - elektrische Energie

Index

1 EINLEITUNG

2 WASSER - ALLGEMEINE BETRACHTUNG
2.1 PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN
2.2 WASSERDARGEBOT DER ERDE
2.3 KULTURGESCHICHTE
2.4 PHILOSOPHIE

3 WASSERKRAFT
3.1 DIE KRAFT DES WASSERS
3.2 WASSERKRAFTMASCHINEN

4 WASSERKRAFTWERKE
4.1 WASSERRAD (OBER- UNTERSCHLÄCHTIGES WASSERRAD)
4.2 LAUFWASSERKRAFTWERK
4.3 SPEICHERWASSER - KRAFTWERKE
4.4 PUMPSPEICHER - KRAFTWERKE
4.5 GEZEITENKRAFTWERK

5 LEISTUNGSABHÄNGIGKEIT
5.1 FALLHÖHE UND DURCHFLUß

6 TURBINEN
6.1 DIE FRANCIS-TURBINE
6.2 DIE PELTON-TURBINE
6.3 DIE KAPLAN-TURBINE
6.4 ROHR-TURBINE
6.5 STRAFLO-TURBINE
6.6 DURCHSTRÖM-TURBINE

7 RISIKEN
7.1 KAVIATION
7.2 SANDEROSION

8 SCHLUßFOLGERUNG
8.1 VOR- UND NACHTEILE DER WASSERKRAFTNUTZUNG
8.2 DIE BEITRÄGE DER WASSERKRAFT
8.3 PERSÖNLICHER STANDPUNKT Quellennachweis/ Bildnachweis

1 EINLEITUNG

Die Nutzung erneuerbarer Energien, Wasserkraft, Sonnenenergie, Windkraft, Biomasse gehört zu den wichtigsten energiepolitischen Optionen für die Zukunft. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die CO2 - Problematik und die Probleme ländlicher Energieversorgung in der Dritten Welt.Erneuerbare Energien decken derzeit ~ 2% des Primärenergieverbrauchs und tragen mit ~ 4,5% zur Stromerzeugung bei. An der Spitze dabei stehen die Wasserkraft und die Abfallverwertung (Biomasse).In der Energieforschung sind in den vergangenen Jahren mit staatlicher Förderung viele neue Technologien entwickelt worden, die zu einer Reduzierung des Energiebedarfs führen können. Ferner wurde eine erhebliche Steigerung der Wirkungsgrade von Kraftwerken erreicht. Auf absehbare Zeit werden erneuerbare Energiequellen in Deutschland nur einen relativ bescheidenen Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs leisten können. Das liegt einmal an geographischen und klimatischen Gegebenheiten, vor allem jedoch an der Tatsache, daß erneuerbare Energiequellen meist noch nicht wirtschaftlich Nutzbar sind, wozu auch die oft noch hohen Preise neuer Technik beitragen. In der folgenden Arbeit beschäftige ich mich mit dem Thema Wasserenergie und wie man aus Wasserenergie elektrische Energie ,gewinnen` bzw. Wasserenergie in elektrische Energie umwandeln kann. Um jedoch alle Fragen betreffs der Wasserenergie zu klären, gehe ich im folgenden auf das Wasser im physikalischen und chemischen Sinne ein. Weiterhin werfe ich einen kurzen Blick auf die geschichtliche und philosophische Seite.

2 WASSER - ALLGEMEINE BETRACHTUNG

2.1 PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN

Wasser (H2O) ist eine chemische Verbindung von Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). Es ist eine geruch- und geschmacklose Flüssigkeit, die durchsichtig ist und in dickerer Schicht bläulich schimmert. Plötzlichen Druckerhöhungen setzt diese Flüssigkeit einen beachtlichen Widerstand entgegen, was jederzeit z.B. bei Stürzen ins Wasser feststellbar ist.Unter Normaldruck (1013,25hPa) erstarrt es bei einer Temperatur von 0°C zu Eis und geht bei 100°C in Wasserdampf über. Der Gefrierpunkt und der Siedepunkt des Wassers spielten eine wesentliche Rolle bei der Definition der Celsius - Temperaturskala . In der Natur tritt kaum ein Stoff vollkommen rein auf. So besteht auch das Wasser aus einem Gemisch von Wassermolekülen in dem mit 99,99% Moleküle überwiegen, die das Wasserstoffisotop 1H wie auch das Sauerstoffisotop 16O enthalten. Das Wasserstoffisotop 2H (Deuterium, D) sowie das Sauerstoffisotop 17O und 18O kommen nur in sehr geringer Menge vor. So ist auch Deuteriumoxid, D2O, das schwere Wasser, mit einem verschwindend kleinen Anteil im natürlichen Wasser enthalten.

2.2 WASSERDARGEBOT DER ERDE

Daß das Wasser auf der Erde in unterschiedlichen Formen, sprich gefroren (Eis, Schnee), flüssig und gasförmig, vorkommen kann, sei damit geklärt. Jedoch ist die Wassermenge auf diesem Planeten beschränkt. Insgesamt gibt's es ca. 1.385.984.600km³ Wasser auf der Erde. Die Verteilung des Wassers in der Hydrosphäre ist wie folgt. Der größte Anteil des Wassers ist in den Weltmeeren mit 97,537% (1.338.000.000km³). Eis und Schnee an den Polen und auf den Bergen machen exakt 1,7585% (24.364.100km³) aus, was nur wenig mehr ist als das Grundwasser mit 1,688% (23.400.000km³). Oberflächengewässer machen nur 0,014% (190.000km³) aus. Und weniger als jeweils 0,001% ergibt sich aus der Bodenfeuchte 16500km³, Atmosphäre 12.900km³ und den Organismen mit 1.100km³. Alles zusammen ergibt dann wie gesagt 1.385.984.600km³.

2.3 KULTURGESCHICHTE

Wasser ist jedoch nicht nur ein Stoff, der rein zufällig auf der Erde existiert, es ist der Stoff, ohne den das Leben auf einem Planeten für uns nicht möglich wäre. So war es schon früher in den Religionen ein Symbol mit komplexem Bedeutungssprektrum. "Als nicht differenzierte, beliebig formbare Masse symbolisiert es in vielen Schöpfungsmythen den Uranfang alles Seienden." Jeden Mythos und dessen Bezeichnung für Wasser aufzuzählen würde den Umfang der Arbeit sprengen und gewiß vom Thema abweichen.

2.4 PHILOSOPHIE

Laut Empedokles ist das Wasser eines der vier Elemente, wobei Erde, Luft und Wasser zusammengehören und dem Feuer entgegengesetzt werden. In Alchimie und Naturphilosophie spielt Wasser als Grundprinzip des Feuchten, Wäßrigen, Lösbaren, als Essenz der Pflanzen wie auch aufgrund seiner Formlosigkeit, Beweglichkeit und Flüchtigkeit als Symbol der Erneuerung und Wandlung eine Rolle.

3 WASSERKRAFT

3.1 DIE KRAFT DES WASSERS

Rund 14.000.000 m³ Wasser verdunsten jede Sekunde auf der Erde. Der größte Teil kommt dabei aus den Ozeanen. In Form von Niederschlägen gelangt das Wasser wieder zurück auf die Erde, wodurch der Wasserkreislauf der Erde geschlossen wird. In dem Moment, wo die Niederschläge nicht auf Meereshöhe fallen, entsteht zugleich ein relativ großes Potential an Wasserkraft. Durchschnittlich liegt Europa 300 m und Nordamerika 700 m über dem Meeresspiegel. Asien liegt sogar 940 m über dem Meeresspiegel. Gepaart mit ergiebigen Niederschlägen und entsprechenden Wassermassen ergeben sich aus diesen Höhenunterschieden zum Meer gewaltige Energiemengen in Form von potentieller (Lage-) Energie und kinetischer (Bewegungs-) Energie. Mit Hilfe der richtigen Mittel lassen sich diese Energien nutzen bzw. sogar in elektrische Energie umwandeln.

3.2 WASSERKRAFTMASCHINEN

Die Energie des Wassers kann also genutzt werden, wenn man die potentielle Energie des Wassers in mechanische Energie umwandelt. Mit Hilfe einer "Wasserkraftmaschine" wird diese Wasserenergie in mechanische Energie umgesetzt. Dabei werden die Gewichtskraft, der statische Druck oder die kinetische Energie des Wassers genutzt, um die Antriebswelle in Drehung zu versetzen. Um nun auch noch elektrischen Strom erzeugen zu können, wird diese Antriebswelle an einen Generator angeschlossen, durch den dann die mechanische Arbeit in elektrische Energie umgewandelt wird. So wurden, laut Überlieferungen von Philon von Byzanz, um 260 v. Christi das erste ober- und unterschlächtige Wasserrad für den Antrieb eines Schöpfeimerwerkes bekannt. 90 v. Chr. ließ MithridatesVI in Kleinasien eine von einem Wasserrad angetriebene Getreidemühle errichten. Also auch schon die Alten Römer wußten, wie man die Wasserenergie nutzen konnte, jedoch war ihnen die Möglichkeit, diese Energie in elektrische Energie umzuwandeln nicht vergönnt. Im Laufe der Jahrhunderte wurde das Wasserrad immer weiter entwickelt. So war es neben der Windmühle die wichtigste Erfindung vor der Erfindung der Dampfmaschine. Es war damals der wichtigste Energieerzeuger, um Arbeitsmaschinen wie Mühlen, Brecher, Ketten- und Seilwinden, Schöpfwerke u.a. anzutreiben. Jedoch nicht nur die Verwendung der Energienutzung wandelte sich im Laufe der Jahrhunderte auch die Art der Wasserkraftwerke wurde ständig erweitert. So trat im Laufe von Jahrtausenden an die Stelle des Wasserrades die Turbine, die ein geschlossenes System bildet und Wirkungsgrade um 90% erreicht und über einen angekoppelten Generator elektrische Energie erzeugt. Es wurde aus einem einfachen Wasserrad ein Laufwasserkraftwerk, über Speicherkraftwerke bis hin zu Hochdruckkraftwerken. Auf den folgenden Seiten stelle ich die wichtigsten dieser Kraftwerkstypen vor, erläutere ihre Funktionsweise und gehe auf ihren Aufbau ein.

4 WASSERKRAFTWERKE

4.1 WASSERRAD (OBER- UNTERSCHLÄCHTIGES WASSERRAD)

Das Wasserrad, die älteste Wasserkraftmaschine, bestehend aus einem am Umfang mit Zellen oder Schaufeln besetzten, sich meist in senkrechter Ebene drehenden Laufrad. Nach der Art des Wasserzulaufes unterscheidet man als Hauptform oberschlächtige Wasserrad (Zulauf unmittelbar hinter dem höchsten Punkt des Rades) und unterschlächtige (Zulauf auf der Unterseite) Räder. Bei oberschlächtigen Wasserrädern wird das Wasser durch das Oberwassergerinne in die Zellen oder zw. die Schaufeln geleitet. Das Wasserrad nutzt nun das, in den einzelnen Kammern enthaltene Wassergewicht, um am Hebelarm des Kammernradius ein Drehmoment zu erzeugen. Der Raddurchmesser bestimmt die einstufig nutzbare Fallhöhe. Bei größerer Fallhöhe eignet sich eine kaskadenartige Anordnung mehrerer Räder. Beim Kehrrad wird das Laufrad vom Wasser zweimal beaufschlagt, indem das Wasser durch den Schaufelkranz zuerst von außen nach innen und anschließend von innen nach außen geleitet wird. Das oberschlächtige Wasserrad nutzt fast nur die Lageenergie des Wassers (Reaktionsprinzip) Das unterschlächtige Wasserrad nutzt hauptsächlich die Bewegungsenergie (Aktionsprinzip). Eine dritte Möglichkeit eine Wasserrades ist das mittelschlächtige Wasserrad (siehe Bild: 4.1 - 3), dieses nutzt, wie das oberschlächtige Wasserrad, die Lageenergie.Vorteile des Wasserrades: einfache Bauweise, unempfindlicher Betrieb, Wirkungsgrad bis 75% Nachteile des Wasserrades: großes Gewicht und Bauvolumen, niedrige Drehzahlen, damit geringe Leistung.

4.2 LAUFWASSERKRAFTWERK

Bei dieser Art von Kraftwerke wird das Oberwasser mittels einer Staumauer zurückgehalten. Es entsteht ein Höhenunterschied zum Unterwasser. An diesem Höhenunterschied wird die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Das Wasser wird über eine Turbine geleitet, welche einen Generator anteibt. (siehe Bild: 4.2 - 1) Allein in Deutschland gibt es 592 Laufwasser - Kraftwerke. Diese produzieren auch den größten Anteil der in Deutschland genutzten "weißen Energie". 1994 verfügten diese über eine Leistung von 2.633 MW. Die größten dieser Laufwasser - Kraftwerke liegen an Rhein, Donau, Iller, Lech, Isar, Inn und Mosel (siehe Bild: 4.2 - 2). Das InnKraftwerk (Töging) erreicht eine Leistung von 84,5 MW. Als Vergleich ein Kohlekraftwerk erreicht eine Leistung von 700 MW. Alle deutschen Laufwasser - Kraftwerke zusammen erbringen also knapp die Leistung von vier Kohlekraftwerken. Die Steuerung des Wasserdurchflusses ist bei Laufwasserkraftwerken zumindest in den meisten Fällen nicht üblich. In der Regel wird die erzielte Leistung zum Tragen der Grundlast ins öffentliche Netz gegeben. In vielen Kraftwerks - Ketten, besteht jedoch die Möglichkeit, eine Zusätzliche Wassermenge anzustauen, wenn ein sehr geringer Stromverbrauch vorherrscht, um diese angestaute Wassermenge bei Spitzenbedarf an die Turbine abzugeben. Diese angestaute Wassermenge stellt somit eine zusätzliche Energiereserve dar

4.3 SPEICHERWASSER - KRAFTWERKE

Im Gegensatz zu den Laufwasser - Kraftwerken, reicht es bei diesem Kraftwerkstyp (Speicherwasser Kraftwerk Bild: 4.3 - 1) keines wegs einen Fluß im Flachland anzustauen. Die geographischen Anforderungen liegen weitaus höher. Wie der Name also schon sagt, wird in diesem Fall Wasser, mit Hilfe einer Staumauer, angestaut um dieses dann mit dem erreichten Druck mittels Druckrohrleitungen oder Druckstollen zu den Turbinen des niedriger gelegenen Kraftwerks zu führen. Dieser Stausee wird meist in einem Tal mit einem Bach oder einem Fluß errichtet. Vor dem Druckrohr/Fallleitung wird ein Ausgleichsbehälter (Wasserschloß) gebaut. Somit kann beim Abstellen der Turbinen das Wasserschloß das nachdrängende Wasser auffangen und damit der Druckanstieg gedämpft werden. Solch ein Kraftwerk befindet sich zum Beispiel am Walchensee, welcher als natürlicher Speicher verwendet wird. Von diesem 800m hoch gelegenen See fließt das Wasser zunächst durch einen 1200m langen Stollen zum "Wasserschloß". Von hieraus geht es weiter durch sechs Druckrohre von 450m Länge direkt zum Krafthaus. Vier dieser Druckrohre enden an je einer Franci- Turbine mit angekoppeltem Drehstromgenerator. Die beiden anderen münden in vier Pelton- Turbinen, die Einphasengeneratoren zur Erzeugung von Strom für die Bundesbahn antreiben. Das Wasser kann an dieser Stelle nicht weiter verwendet werden und wird in den 200m tiefer gelegenen Kochelsee geleitet. Das Walckensee - Kraftwerk verfügt somit über eine Leistung von 72000kW Drehstrom und 52000kW Einphasenstrom. Dieses Kraftwerk befindet sich seit 1942 in Betrieb und ist mit einer durchschnittlichen Jahreserzeugung von 320000000kWh noch heute eines der größten Hochdruck- Speicherwasser- Kraftwerke Deutschlands. Zu Speicherkraftwerken generell muß man sagen, daß sie nicht für den Dauerbetrieb gedacht sind, da nicht genügend Wasser vorhanden ist. Sie dienen lediglich zum Ausgleich bei erhöhtem Strombedarf. Neben der Stromversorgung haben Speicherwasser - Kraftwerke viele andere Zwecke, so dienen sie dem Hochwasserschutz, der Trinkwasserspeicherung und auch der Bewässerung.

4.4 PUMPSPEICHER - KRAFTWERKE

Bei Pumpspeicher - Kraftwerken (Bild: 4.4 - 1) wird das Speicherbecken nicht wie bei Speicherwasser - Kraftwerken mit Hilfe eines Baches/Flusses gefüllt. Diese Zuflüsse sind jedoch vorhanden, haben jedoch nur eine ergänzende Funktion. Das Wasser kommt ganz oder zumindest zum größten Teil aus einem tiefergelegenen Becken, meist ein natürliches Gewässer. Aus diesem Becken wird das Wasser mit Hilfe von elektrischer Energie hochgepumpt. Diese scheinen einen Widerspruch in sich zu bergen. Da die erforderliche Energiemenge zwangsläufig größer ist, als die vom hochgepumpten Wasser hinterher erzeugte. Einen Sinn macht diese Umwandlung von elektrischem Strom in potentielle Energie und wieder zurück trotz des Aufwandes doch. Es ermöglichte es, in Zeiten geringen Strombedarfs die nicht ausgelastete Grundversorgung für das Hochpumpen des Wassers zu verwenden. In Verbrauchsspitzen kann die gespeicherte potentielle Energie wieder in elektrische Energie verwandelt werden.

4.5 GEZEITENKRAFTWERK

Gezeitenkraftwerk, ein Wasserkraftwerk, das die Energie der Gezeiten, Ebbe und Flut, zur Erzeugung elektrischer Energie ausnutzt, bestehend aus einem oder zwei vom Meer abgeriegelten Becken und einem oder mehreren Krafthäusern. Geeignete Standorte für Gezeitenkraftwerke sind Küsten mit verhältnismäßig leicht abdämmbaren Buchten und einem Gezeitenhub (Tidenhab) von mindestens 3m. Zur Stromerzeugung fließt Meerwasser unter Ausnutzung der jeweiligen momentanen Wasserstandsdifferenz durch Turbinen in ein Becken (Flut), aus einem Becken ins Meer (Ebbe) oder aus dem ersten ins zweite Becken. Nachteile der Gezeitenkraftwerke sind die hohen Kosten, die besonders durch den Dammbau entstehenden Umweltbeeinflussungen (Veränderung der Meeresströmung mit Auswirkungen auf Tier- und Pflanzenwelt), die Gefahr der raschen Verlandung vor und in den Becken sowie die beschränkte Betriebszeit, da Stromerzeugung nur so lange möglich ist, wie ein ausreichendes Gefälle zwischen Staubecken und Meer und umgekehrt besteht. Das erste Gezeitenkrafterk. mit 24 Rohrturbinen, die je 10 MW leisten, wurde 1966/67 in Frankreich im Golf von Saint-Malo errichtet, dessen 750m langer Damm die Trichtermündung des Flusses Rance absperrt. Ähnlich große Projekte bestehen, wurden jedoch bisher nicht realisiert.

Daneben sind jedoch zwei Versuchsstationen in Betrieb: seit 1968 in Russland und seit 1985 im südöstl. Kanada.

5 LEISTUNGSABHÄNGIGKEIT

5.1 FALLHÖHE UND DURCHFLUß

Die Leistung einer Turbine errechnet man aus dem Produkt der Erdbeschleunigung (9,81 m/sec²) mit der Fallhöhe des Wassers (in m), dem Durchfluß durch die Turbine (in m³/sec) und dem Wirkungsgrad. Eine größere Fallhöhe kompensiert einen geringeren Wasserdurchfluß und umgekehrt.

D.h. eine vergleichsweise geringe Wassermenge eines Gebirgsbachs mit Fallhöhen von hunderten von Metern vermag unter Umständen mehr Strom zu erzeugen als die große Wassermenge eines Flusses, die lediglich den Niveauunterschied eines Stauwehrs überwindet. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, muß die Turbine den unterschiedlichen Fallhöhen und Wasserdurchflußmengen angepaßt sein. So benötigt z.B. ein Speicherwasser - Kraftwerk in den Alpen eine andere Turbine als ein Laufwasser - Kraftwerk am Neckar. Die größte Verbreitung hat die Francis Turbine, deren Einsatzbereich sich nach oben mit der dem der Pelton - Turbine und nach unten mit dem der Kaplan - Turbine überschneidet. Welche Turbine im Konkreten Fall gewählt wird, hängt nicht nur von der nutzbaren Fallhöhe des Wassers ab, sondern auch vom Wasserdurchfluß und anderen Faktoren.

6 TURBINEN

Im 4. Kapitel, bin ich auf die einzelnen Kraftwerkstypen eingegangen. Darin wurden schon einige Turbinenarten erwähnt. Im folgenden werden die wichtigsten Turbinenarten aufgezählt, Verwendungszweck bzw. Anwendungsgebiet dargestellt. Die heutigen Turbinen der Wasserwerke verbinden, wie bereits die Wasserräder, meistens das Aktions- und das Reaktionsprinzip (mit Ausnahme der Pelton- oder Freistrahlturbine). Ihren Namen haben Sie von dem französischen Ingenieur Claude Burdin, der diesen Begriff erstmals für sein 1824 entwickeltes Wasserrad verwandte (von lat. ,,turbo", was soviel wie Kreisel oder Wirbel bedeutet). Benoit Fourneyron gelang die praktische Nutzbarmachung des Reaktionsprinzips mit einer zweiteiligen Konstruktion. Hier strömt das Wasser innerhalb eines geschlossenen Systems zunächst durch die gekrümmten Schaufeln eines Leitwerks, bevor es auf die Schaufeln des Laufrads trifft und diese in Bewegung setzt. Fourneyrons Maschine hatte den erstaunlich hohen Wirkungsgrad von 80 bis 85%. Im Prinzip funktionieren so bis heute alle ,,Überdruckturbinen" (Francis-, Kaplanturbinen). Mit dem Unterschied, daß Fourneyron das Leitwerk im Innern des Laufrades anbrachte und das Wasser radial abfließen ließ, während heute das Leitwerk außen sitzt und das Wasser nach innen durch das Laufrad fließt. Ein Nachteil dieser Turbine war, daß sich beim Übergang des Wassers aus dem innen angebrachten Leitwerk in die Schaufeln des Laufrads Turbulenzen ergaben, die bremsende Wirkung hatten.

6.1 DIE FRANCIS-TURBINE

Der angloamerikanische Ingenieur James B. Francis konstruierte 1849 eine Turbine (siehe Bild), die eine große Verbesserung gegenüber allen Vorgängermodellen hat. Er verwandte hierbei die Entwicklungen von Karl Anton Henschel, Samuel B. Howd und James Thomson, welche Erfindungen machten, die die bremsende Wirkung verringern konnten. So wurden jetzt die Leitschaufeln oberhalb des Laufrades angebracht statt in dessen Mittelpunkt, das Laufrad wurde in das Innere des Leitwerks verlegt und verstellbare und gekrümmte Laufradschaufeln wurden entwickelt. Diese im Wirkungsgrad wesentlich verbesserte Turbine erzielt nun ca. 90% und kann universell eingesetzt werden. Bis zu 150 t können die größten Francis - Turbinen wiegen und erreichen eine Leistung von 700 MW. So kann diese Turbine sogar als Pumpe arbeiten. Folglich ist eines ihrer Anwendungsgebiete in Pumpspeicher - Kraftwerken.

6.2 DIE PELTON-TURBINE

1880 konstruierte der amerikanische Ingenieur Lester Pelton eine Freistrahl - Turbine, die als Pelton - Turbine (siehe Bild) bekannt wurde. Diese Turbine arbeitet ausschließlich nach dem Aktionsprinzip. Sie erinnert vom Aussehen wie vom physikalischen Prinzip her am ehesten an das klassische Stoß - Wasserrad. Allerdings gliedert sich jedes der bis zu 40 Schaufelblätter in zwei Halbschalen. Das Wasser wird auch nicht einfach über die Schaufeln geleitet, sondern trifft die Mitte der Halbschalen tangential, mit hohem Druck aus einer oder mehreren Düsen, so daß der Wasserstrahl in den Schaufelmulden eine Ablenkung um fast 180 Grad erfährt und seine Energie fast vollständig an die Turbine abgibt. Bei einer Fallhöhe von 1000 m schießt der Wasserstrahl mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 km/h aus der Düse. Da die kinetische Energie des Wasserstrahls von der Fallhöhe abhängt, ist die Pelton - Turbine typisch für Kraftwerke im Hochgebirge.

6.3 DIE KAPLAN-TURBINE

Der österreichische Ingenieur Viktor Kaplan entwickelte in den zwanziger Jahren diese Turbine (siehe Bild) speziell für geringe Wasserstände. Ihr Laufrad gleicht einem Schiffspropeller, durch dessen verstellbare Schaufeln die Wassermassen strömen und - umgekehrt wie beim Schiffsantrieb - den Propeller antreiben. Das Leitwerk der Kaplan - Turbine lenkt die einströmenden Wassermassen so, daß sie parallel zur Welle der Turbine auf die drei bis sechs Schaufeln des Laufrads treffen. Sowohl die Laufradschaufeln als auch das Leitwerk sind verstellbar. Dies ermöglicht das Anpassen an Schwankungen der Wasserführung und des Gefälles. Große Kaplan - Turbinen werden vor allem vertikal eingebaut, so daß das Wasser von oben nach unten durchströmt. Die äußerst schnelllaufende Turbine weist in einem weiten Belastungsbereich einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 % auf.

6.4 ROHR-TURBINE

Für niedrige Fallhöhen wurde aus der Kaplan - Turbine (siehe Bild) die Rohr - Turbine entwickelt, die in Laufwasser - Kraftwerken Leistungen bis 75 MW erzielt. Die Rohr - Turbinen werden horizontal, in der Richtung des strömenden Wassers, eingebaut, so daß Umlenkverluste weitgehend vermieden werden. Der Generator befindet sich in Verlängerung der Turbinenwelle in einem vom Wasser umströmten wasserdichten Gehäuse. Rohr - Turbinen sind platzsparend und ermöglichen deshalb hervorragend die landschaftliche Einpassung von Wasserkraftwerken.

6.5 STRAFLO-TURBINE

Eine Weiterentwicklung der Rohr - Turbine ist die Straflo - Turbine (von engl. ,,straight flow"). Generator und Turbine bilden hier eine Einheit. Das Laufrad der Turbine trägt auf seinem äußeren Kranz zugleich die magnetischen Pole des Rotors, während der Stator, der äußere Teil des Generators, in das Turbinengehäuse integriert ist. Das Wasser fließt also durch den Rotor des Generators hindurch.

6.6 DURCHSTRÖM-TURBINE

Für kleinere Leistungen werden auch die sogenannten Durchström - Turbinen eingesetzt, die sich durch einfachen, robusten Aufbau und kostengünstige Konstruktion auszeichnen. Sie verfügen über ein walzenförmiges Laufrad mit gekrümmten Schaufeln, denen das Wasser durch einen Leitapparat zugeführt wird.

7 RISIKEN

7.1 KAVIATION

Gefürchtet wird von den Turbinenkonstrukteuren die sogenannte Kaviation, welche die Laufradschaufeln zunächst rauh, dann porös und schließlich löchrig macht. Ursache ist der Unterdruck, der infolge der hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Turbinen an den Schaufeln entsteht. Der Druck kann dabei so stark absinken, daß selbst bei normalen Wasertemperaturen Verdampfung auftritt. Die entstandenen Dampfbläschen kondensieren jedoch sofort, wenn beim Weiterströmen der Druck wieder ansteigt, und die damit verbundene Volumenänderung setzt starke Kräfte frei, die das Material zerstören können. Die Kaviation läßt sich durch geeignete Formgebung und Materialverwendung vermeiden bzw. verzögern.

7.2 SANDEROSION

Ein weiteres Problem ist die Sanderosion, von der in erster Linie die Düsen und Becher von Pelton - Rädern, aber auch die Leit- und Laufradschaufeln von Francis - Turbinen betroffen sind. Alle Wasserkraftwerke sind zwar gegen Treibholz und anderes grobes Schwemmgut geschützt, die feineren Verunreinigungen des Wassers lassen sich aber nicht herausfiltern, denn je feiner der Rechen vor dem Einlauf ist, um so größer ist die Behinderung des Wasserstroms und um so schneller ist der Rechen verstopft.

8 SCHLUßFOLGERUNG

8.1 VOR- UND NACHTEILE DER WASSERKRAFTNUTZUNG

Einigen Ländern dieser Erde gelingt es mehr andern weniger gut, die Energie des Wassers zu nutzen. Dabei kommt es zur Nutzung der Wasserkraft zu 100% in Norwegen, zu 72% in Österreich, zu 57% in der Schweiz und zu 3,6% in Deutschland (dabei werden 70% der Wasserkraftressourcen ausgeschöpft). Die Nutzungsmöglichkeiten der Wasserkraft hängen v.a. von der Geländeform ab. So stehen Speicherkraftwerke bevorzugt in engen Taleinschnitten mit einem großen erschlossenen Speichervolumen. Pumpspeicherkraftwerke stellen dabei die kostengünstige und auch umweltverträglichste Möglichkeit der Speicherung großer Energiemengen dar. Problematisch ist allerdings der Landschaftsverbrauch durch große Talsperren und Stauseen, der bes. in dichter besiedelten Gebieten dem Neubau von Großanlagen entgegensteht. Weltweit ist die Nutzung der Wasserkraft zumindest theoretisch eine ausbaufähige Möglichkeit zur Deckung des Energiebedarfs; praktisch ist aber die Anlage riesiger Stauseen wegen des Raumbedarfs (der oft die Umsiedlung von Menschen nötig macht) und der (z.T. unvorhersehbaren) Folgeerscheinungen (z.B. Nassersee, -> Nil) meist umstritten Z.B. der Nassersee, Assuanstausee, engl. Lake Nasser, der Stausee das Nils oberhalb des Assuanhochdams (>Sadd al-Ali

8.2 DIE BEITRÄGE DER WASSERKRAFT

Im Vergleich zu anderen Erzeugungsarten hat die Wasserkraft bei der Erzeugung und Übertragung besondere Stärken, nicht nur aufgrund ihrer hervorragenden dynamischen Leistung sondern auch aufgrund der Qualität ihres "Brennstoffes". Wasserkraft wird in einem Netz wegen der primären und sekundären Regelung, ihrer Reaktionsgeschwindigkeit, der Reaktionsfähigkeit bei Engpässen und der Teilnahme an betrieblichen Tertiärreserven benötigt. Wasserkraft ist eine Ergänzung zu allen anderen Arten der Energieerzeugung: Sie kann volumenmäßig nicht ersetzt werden, um dem wachsenden Bedarf der Erzeugung durch konventionelle Kraftwerke und Atomkraftwerke zu entsprechen oder eventuell dem zukünftigen Bedarf an anderen erneuerbaren Energien. Diese Anlagen können weder dieselben kinetischen Eigenschaften noch dieselbe Möglichkeit der Energiespeicherung bieten. Die in den UCPTE-Ländern vorhandene Wasserkraft, die einer installierten Kapazität von 105.000 MW entspricht, kann den Einsatz von thermischen Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, verhindern. Dank einer Studie des Bundesforschungsministeriums können die verschiedenen Vorteile der Wasserkraft mit den folgenden Zahlen nachgewiesen werden: eine Investition von 87 x 600 MW Einheiten mit 5.000 Betriebsstunden wird verhindert - oder das Äquivalent von 36.500 MEU bei GUOAnlagen 74.500 MEU bei Kohlekraftwerken Die Verhinderung der Emission in die Atmosphäre von 120 bis 225 Millionen Tonnen CO2 und somit ein großer Beitrag zur Reduzierung des Treibhauseffekts.

8.3 PERSÖNLICHER STANDPUNKT

Das Ziel, das ich mit dieser Arbeit erreichen wollte, war die Problematik der Gewinnung von elektrischer Energie mit Hilfe der Wasserkraft genauer zu betrachten. Dabei kam es mir darauf an, technische Lösungsmöglichkeiten zu erörtern und sie in einen größeren Zusammenhang einzuordnen. Diese Einbindung erschien mir notwendig, um zu verdeutlichen, daß zur Befriedigung des ständig wachsenden Bedarfs an elektrischer Energie auf der Welt auch in wachsendem Maße die qualifizierte Nutzung der Wasserkraft beitragen kann. In meinen Betrachtungen blieben ebenfalls nicht die Vor- und Nachteile außer Acht. Daß mit Hilfe der Wasserenergie ohne jegliche Schadstoffe elektrische Energie ,,gewonnen" werden kann, ist ein Punkt, der sehr viel Befürwortung erhält. Jedoch wenn man sich die Zerstörung der Natur anschaut, die durch die Stauung des Wasser eine Folgeerscheinung ist und wenn man die Folgeerscheinungen betrachtet die auftreten können (siehe Vor- und Nachteile der Wasserkraftnutzung ) dann muß man wohl oder übel, wie bei jeder anderen Form der Energieumwandlung abwägen, wie viele dieser Kraftwerke, gebaut werden müssen. So denke ich, es kommt nicht unbedingt darauf an wie die Energie ,gewonnen` wurde, sondern wie der Mensch damit umgeht.

QUELLENNACHWEIS/ BILDNACHWEIS

1. Bilderdienst HEA Information über Elektrizität und ihre Anwendung
2. Brockhaus - Enzyklopädie in 24 Bänden
3. Wind- und Wasserkraft VDI Verlag (1989 Düsseldorf)
4. Das Wasserrad VEB Verlag für Bauwesen (1987 Berlin)
5. Wassermühlen Verlag C.F. Müller (1992 Karlsruhe)
6. StromBASISWISSEN - IZE Frankfurt/Main (Nr. 107,115)
7. LexiROM Meyers Lexikon / Microsoft Home 1995