Wasserkraft in Deutschland. Funktionsweise und Vergleich mit anderen regenerativen Energien

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung
2.1 Physikalische Grundlagen
2.2 Funktionsweise einer Wasserkraftanlage
2.3 Arten von Wasserkraftwerken
2.4 Einteilung in Niederdruckanlagen
2.5 Einteilung in Hochdruckanlagen
2.6 Funktionsweise von Turbinen anhand der Kaplan-Turbine
2.7 Grundlagen einer Turbine
2.8 Besonderheiten der Kaplan-Turbine
2.9 Das Wasserkraftpotential

3 Aufbau eines Laufwasserkraftwerkes am Beispiel Keselstraße Kempten
3.1 Historie und Daten des Kraftwerkes
3.2 Aufbau und Funktion
3.3 Betrieb und Wartung

4 Vergleich mit anderen regenerativen Energien
4.1 Ähnlichkeiten
4.2 Differenzen

5 Potential in Deutschland
5.1 Momentane Lage
5.2 Errungenschaften des Erneuerbare-Energien-Gesetzes
5.3 Zukunftsaussichten

6 Vor- und Nachteile der Wasserkraft
6.1 Ökologische Auswirkungen
6.2 Wirtschaftliche Lösungen

7 Schluss

Anhang

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

Die Kraft des Wassers wird seit über 3500 Jahren genutzt. In ihrer frühesten Form diente sie ausschließlich der Bewässerung von Feldern durch Wasserschöpfräder. Die Griechen erfanden im 3./4. Jahrhundert v. Chr. das erste Wasserrad und erweiterten so den Begriff der Wasserkraft als Antriebsquelle für Maschinen aller Art.¹ Die Entwicklung des oberschlächtigen Wasserrades im Spätmittelalter sorgte für einen Wasserfluss über das Rad und machte das Gewicht des Wassers nutzbar. Im Jahr 1767 gelang es John Smeaton, das erste Wasserrad aus Eisen herzustellen. Somit waren die Voraussetzungen für die industrielle Revolution² gegeben und die Wasserkraft war von nun an die wichtigste Antriebsquelle der Welt. Keine hundert Jahre später (1842) sorgten der Vorläufer der Francis-Turbine von Benoît Fourneyron und die Erfindung des ersten elektrodynamischen Generators (1866) durch Werner von Siemens dafür, dass die Wasserkraft als erste erneuerbare Energie zur Strom-erzeugung genutzt wurde. 14 Jahre später folgten die ersten Wasserkraftwerke in England und daraufhin auch in den USA, Deutschland und überall auf der Welt.³

Die Wasserkraft hat heutzutage einen Anteil von über 16 Prozent an der weltweiten Stromerzeugung und liegt damit auf Platz Eins der erneuerbaren Energiequellen. Da die Stromerzeugung durch Wasserkraft seit über 100 Jahren besteht, ist ihre Technologie stets verbessert worden und im Vergleich zu Photovoltaik oder Windkraft sehr ausgereift.⁴

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

Um die Wasserkraft in Deutschland näher zu betrachten, wird zunächst geklärt, wie ein Wasserkraftwerk funktioniert und wie aus Wasser Energie gewonnen werden kann. Darauf folgen die bekanntesten Bauformen und ihre Charakteristiken. Aufgrund der hohen Anzahl an verschiedenen Turbinenarten wird anschließend nur die bekannteste Turbine, die Kaplan Turbine (s. Kapitel 2.4), erklärt.

2.1 Physikalische Grundlagen

Um Wasserkraft überhaupt nutzen zu können, müssen zuerst einige Begriffe erklärt werden. Das Wasser besitzt sowohl potentielle- als auch kinetische Energie.⁵

Unter der potentiellen Energie Ep (auch Höhenenergie genannt) versteht man die Energie, die frei wird, wenn man eine Masse m (hier die Wassermenge) von der Höhe x auf eine niedrigere Höhe y in Bezug zum Erdmittelpunkt bringt.⁶

Allgemein gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

dabei entspricht dem Höhenunterschied, dem Betrag der Differenz von x und y. ist die Erdbeschleunigung, die wie folgt definiert ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Berechnet man die Energie in Kilowattstunden (kWh), so ergibt sich:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die kinetische Energie (auch Bewegungsenergie genannt) ist die Energie, die ein Körper mit der Masse aufgrund seiner Geschwindigkeit besitzt.⁷

Allgemein gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Gesamtenergie Eges, die mittels des Wassers gewonnen werden kann, ergibt sich aus der Summe der potentiellen- und der kinetischen Energie. Daraus folgt⁸:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um nun die theoretische Leistung eines Kraftwerkes zu bestimmen, multipliziert man die Fallhöhe mit der zur Verfügung stehenden Wassermenge (Schluckvermögen) (Kubikmeter pro Sekunde) und den Wirkungsgraden der verwendeten Turbinen, Generatoren und möglichen Transformatoren. Diese haben, der Vereinfachung halber, zusammen durchschnittlich den Wert 7.⁹

Demnach ergibt sich:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Funktionsweise einer Wasserkraftanlage

Eine Wasserkraftanlage ist (im Grunde) ein Kraftwerk, das die Energie des Wassers (s. Kapitel 2.1) mit Hilfe von Turbinen (s. Kapitel 2.4) und daran angeschlossenen Generatoren in elektrische Energie („Strom“) umwandelt.

Das zufließende Wasser (Oberwasser) wird dabei durch Rohre oder Stahlbetonkonstruktionen in den Turbinenraum geleitet, wo es den größten Anteil an kinetischer Energie an die Turbine abgibt und danach als Unterwasser wieder in den Fluss/das Gewässer gelangt.

Um diese letztendlich gewonnene Energie zu maximieren, gilt es verschiedene Faktoren zu beachten:

Wenn man die Formel für die potentielle Energie (vgl. Kapitel 2.1) näher betrachtet, fällt auf, dass diese von 3 Variablen abhängt, wobei die Erdbeschleunigung nahezu konstant bleibt¹⁰ und die Masse des Wassers vom Wetter abhängt, und somit nicht beeinflussbar ist. Die Fallhöhe , der Höhenunterschied, den das Wasser innerhalb des Kraftwerkes zurücklegt, ist somit die einzig beeinflussbare Variable. Um also die Menge an elektrischer Energie zu erhöhen, muss die Fallhöhe möglichst groß sein. Dies wird dadurch erreicht, indem man den Fluss/das Gewässer mit einem Stauwehr (auch Staudamm genannt) künstlich aufstaut.¹¹

Um die Höhenenergie maximal auszunutzen, wird das natürliche Gefälle des Flusses durch Fließstreckenverkürzung an einem Punkt konzentriert. In Abbildung 1 sieht man beispielsweise ein Fließgewässer und die entsprechende Fließstreckenverkürzung in Form eines Stollens, der geradlinig durch den Berg führt. Die Seitenansicht zeigt einen Querschnitt des Stollens, an dessen Ende sich die größtmögliche Fallhöhe am Krafthaus (= Turbinenhaus) befindet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Wasserkraftanlage mit Fließstreckenverkürzung.

Da jedes Gewässer andere Charakteristiken aufweist und nicht immer einem bestimmten Muster, wie gleicher Wassertiefe, folgt, gibt es sowohl verschiedene Kraftwerkstypen als auch Turbinenarten, um diese Unterschiede auszugleichen oder sogar als Vorteil zu nutzen.

2.3 Arten von Wasserkraftwerken

Da Wasserkraftwerke dienen oft nicht nur als reiner Energielieferant, sondern sie werden auch als Energiespeicher oder Hochwasserschutz eingesetzt. Daher gibt es verschiedene Anlagentypen, die alle bestimmten Anforderungen gerecht werden.

Da die Übergänge zwischen den verschiedenen Anlagentypen fließend sind, ist eine Einteilung nur ungefähr möglich. Generell spricht man von Niederdruck- und Hochdruckanlagen, wobei sich diese in ihrer Funktion und Bauweise unterscheiden. Man kann die Kraftwerke auch in Laufwasser- und Speicherkraftwerke gliedern, da diese jedoch teils mit Niedrigdruck, teils mit Hochdruck betrieben werden, ist eine solche Einteilung ungünstig.¹²

2.4 Einteilung in Niederdruckanlagen

Die wohl häufigste Anlagenform in Deutschland ist die Niederdruckanlage.¹³ Bei dieser Bauform handelt es sich um Gezeiten-, Wellen- oder Flusskraftwerke, also Kraftwerke, die kontinuierlich elektrische Energie erzeugen können, jedoch keine Speichermöglichkeit bieten, wie zum Beispiel Speicherkraftwerke. Speziell die Flusskraftwerke werden hauptsächlich an Flüssen errichtet und haben so weitaus größere Zuflüsse im Vergleich zu Hochdruckanlagen. Bedingt durch das oft flache Flussbett beträgt der Höhenunterschied zwischen dem Ober- und Unterwasser maximal 15 Meter¹⁴. Daher werden solche Anlagen „Niederdruckanlagen“ genannt, da bei dieser geringen Fallhöhe der Wasserdruck höchstens 1,5 bar beträgt.¹⁵

Durch die relativ konstante Energieerzeugung hat dieser Kraftwerkstyp eine besondere Stellung, da er nicht so stark in seiner Leistung schwankt, wie die meisten regenerativen Energien. Das ist ein Grund, warum die breite Masse der Wasserkraftwerke aus Flusskraftwerken besteht. Von den 7.600 installierten Anlagen in Deutschland sind ungefähr 6.250 Flusskraftwerke, die alle ihren Teil zur Grundlast beitragen. Die Grundlast ist die Belastung eines Stromnetzes, die während des gesamten Tages nicht unterschritten wird.¹⁶

2.5 Einteilung in Hochdruckanlagen

Diese Anlagenform erfüllt nicht nur primär den Zweck zur Stromerzeugung, sondern bietet zudem eine Fülle an Anwendungsmöglichkeiten. Häufig wird sie verwendet, um Gewässer schiffstauglich zu machen, also den Wasserspiegel zu erhöhen, damit dort größere Schiffe fahren können. Aufgrund der Stauhöhe ab 25 Metern und den daraus resultierenden großen gespeicherten Wassermengen, werden sie häufig als Speicherkraftwerke genutzt.¹⁷ Diese speichern Wasser als potentielle Energie und wandeln diese bei Bedarf in elektrische Energie um. Da, wie bereits erwähnt, die Einteilung der Wasserkraftwerke nicht immer eindeutig erfolgen kann, ist auch hier die Bauform eines Flusskraftwerkes nicht ausgeschlossen, aber sehr selten. Meist stehen diese Anlagen an großen Seen oder Gebirgsflüssen, aufgrund des Mangels an tiefen, dafür geeigneten Flüssen.

2.6 Funktionsweise von Turbinen anhand der Kaplan-Turbine

Eine Turbine wandelt die kinetische- und/oder potentielle Energie des Wassers in Rotationsenergie um. Diese Energie wird mit Hilfe einer Welle und gegebenenfalls eines Getriebes an einen Generator übertragen.¹⁸ Das Getriebe dient in dem Fall dazu, das Drehmoment der Welle an das Drehmoment des Generators anzupassen.¹⁹ Der Generator wandelt die gewonnene Rotationsenergie anschließend in elektrische Energie um.

2.7 Grundlagen einer Turbine

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Gleichdruck- und Überdruckturbinen. Die Gleichdruckturbine setzt die Gesamtenergie des Wassers in Geschwindigkeit um, wobei im Maschinenraum konstant Atmosphärendruck herrscht. Da das Laufrad nie gänzlich vom Wasser erfasst wird, muss diese Turbine stets oberhalb des Unterwassers stehen. Überdruckturbinen setzten nur einen Teil der Energie um, dafür wird aber das komplette Laufrad vom Wasser umströmt, weshalb diese Turbinen ideal für große Wassermassen sind. Im Gegensatz zur Gleichdruckturbine steht diese im Unterwasser, wodurch sie einen Gegendruck erfährt. Der daraus resultierende Druckabfall innerhalb des Maschinenraums wird mit einem Saugschlauch so weit wie möglich unterbunden.²⁰

2.8 Besonderheiten der Kaplan-Turbine

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Turbinenschaufel einer Kaplanturbine.

Die Kaplan-Turbine, zu sehen in Abbildung 2, funktioniert nach dem Prinzip der Überdruckturbine und ist deshalb auf große Durchflussmengen und niedrige Fallhöhen optimiert. Die Anströmungsrichtung ist hier axial, also in Richtung der Welle, an der das Laufrad montiert ist. Man kann den allgemeinen Aufbau des Laufrades mit einem Schiffsrotor vergleichen, nur ist die Funktionsweise genau entgegengesetzt. Das Laufrad wird durch anströmende Wassermassen in Rotationsbewegung versetzt und nicht durch einen Motor bewegt, um Vortrieb zu erzeugen.²¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Kaplan-Turbine senkrecht.

In Abbildung 3 sieht man den Querschnitt einer senkrecht installierten Kaplan-Turbine. Der grüne Ring um den Zulauf ist bei hohen Fallhöhen eine Spirale, um das Wasser, zur Erhöhung des Wirkungsgrades, in Rotation zu bringen, oder bei geringen Fallhöhen ein Leitapparat. Dieser Leitapparat besteht aus ringsum angeordneten Leit-radschaufeln, die hydraulisch senkrecht gedreht werden können. Der Zufluss einer Kaplan-Turbine wird dadurch regulierbar. Abbildung 4 zeigt den Turbinenraum aus Abbildung 3 von oben. Die gelben Metallplatten am Rand (mit Pfeilen markiert) sind in derselben Richtung montiert, wie die Leitradschaufeln darunter. In dieser Anordnung gibt es keinen Spalt zwischen den einzelnen Schaufeln. Somit gelangt kein Wasser in den Turbinenraum, die Turbine steht still. Die rote Kurbelwelle aus Abbildung 3 findet sich ebenfalls in Abbildung 4 wieder (siehe schwarte Welle in der Mitte). Diese ist mit dem Generator darüber verbunden. Die Schaufeln des damit verbundenen Laufrades können quer zur Rotationsachse gedreht werden, um bei schwankendem Durchfluss das Wasser trotzdem optimal um die Schaufeln zu leiten und so einen konstant hohen Wirkungsgrad zu garantieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Kaplanturbine von oben (Laufradschaufeln / Kurbelwelle).

Abseits der meist verwendeten Bauart können Kaplan-Turbinen auch waagerecht verwendet werden. In der untenstehenden Abbildung (Abb. 5) sieht man eine solche waagerechte Turbine, wobei der Generator dieses Mal komplett unter Wasser ist und sich direkt vor dem Laufrad befindet. Diese Form wird oft bei sehr geringen Fallhöhen eingesetzt, da man hier die Fließrichtung des Wassers nicht ändern muss und so keinerlei Energie verloren geht.²²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Kaplan-Turbine waagerecht.

Der Wirkungsgrad liegt bei beiden Bauarten zwischen 80 und 95 Prozent, also deutlich höher als bei Kohlekraftwerken, welche beispielsweise nur einen Wirkungsgrad von bis zu 50 Prozent erreichen.²³ Ein weiterer Vorteil dieser Turbinen ist die stets gleichbleibende Rotationsgeschwindigkeit, wodurch eine direkte Einspeisung in das Stromnetz gewährleistet wird, da die Spannung relativ konstant bleibt.²⁴

2.9 Das Wasserkraftpotential

Als Potential wird in der Physik die Fähigkeit definiert, Arbeit zu verrichten.²⁵ Das Wasserkraftpotential kennzeichnet das Maximum an Arbeit, welches bei einem Wasserkraftwerk unter Volllast bewältigt werden kann.²⁶ Dieses Potential lässt sich in vier Bereiche unterteilen. Zum einen in das theoretische und technische Potential, welche den Bereich des physikalisch Möglichen widerspiegeln, und zum anderen in das wirtschaftliche und Marktpotential.²⁷ Diese spielen vor allem für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit und Rentabilität eines Gebietes eine große Rolle. Da ökologischen Aspekten in der heutigen Zeit immer mehr Beachtung geschenkt wird, sind weitreichende Prognosen, wie die des Marktpotentials, zunehmend erschwert.²⁸ Daher wird sich mit dem Marktpotential im Folgenden nicht weiter befasst.

Das theoretische Potential repräsentiert die größtmögliche Nutzung eines definierten Wasserdargebotes (Wassermenge pro Zeit) in einem bestimmten Gebiet. Es wird berechnet aus dem Linienpotential anhand der Beschaffenheit des jeweiligen Gebietes.

Das Linienpotential setzt sich zusammen aus dem Wasserdruck , der Erdbeschleunigung , der gesamten Fallhöhe des Wassers, der Fließlänge und der mittleren Durchflussmenge . Es gibt an, was physikalisch und theoretisch an Energie umgesetzt werden kann, und bedarf daher einiger Korrekturen. Diese erfolgen meist dadurch, dass bei technischen Bauteilen, wie der Turbine, in keinem Fall ein Wirkungsgrad von 100 Prozent anliegen kann, weil im Betrieb dauerhaft Energie in Form von Reibungswärme verloren geht. Des Weiteren müssen die Standortbedingungen des Gebietes mit einberechnet werden, da diese immer unterschiedlich und niemals optimal sind. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte wird das theoretische Potential erheblich verringert und geht über zum technischen Potential.²⁹

Dieses technische Potential ist im Vergleich zu dem theoretischen sehr viel aussagekräftiger, da es die technischen und nicht theoretischen Maxima berücksichtigt und so eine hohe Aussagekraft hat. Dadurch kann es direkt angewendet werden und wird deshalb häufig in Statistiken benutzt. Da ein Wasserkraftwerk, das sich am technischen Potential orientiert, die wirtschaftlichen Aspekte außer Acht lassen würde, ist ein Betrieb aus Kostengründen unmöglich. Folglich muss man wirtschaftliche Rahmenbedingungen, Umwelt Auflagen und weitere Nebenkosten miteinbeziehen. Auf diese Weise gelangt man zum wirtschaftlichen Potential, welches schlussendlich Aufschluss darüber gibt, ob ein definiertes Gebiet rentabel genug für die Nutzung der Wasserkraft ist oder nicht.³⁰

Die folgende Grafik (siehe Abb. 6) zeigt anschaulich den Übergang vom theoretischen Potential zum technischen Potential und schlussendlich zum wirtschaftlichen Potential.

[...]

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¹ @09

² @31

³ @32

⁴ @33

⁵ [Gies97] S. 13/14.

⁶ @01

⁷ @02

⁸ [Gies97] S. 15.

⁹ @06

¹⁰ @04

¹¹ [Gies97] s. 13

¹² @03

¹³ @08

¹⁴ @03

¹⁵ @07

¹⁶ @08

¹⁷ @03

¹⁸ @09

¹⁹ @12

²⁰ @44

²¹ @10

²² @10

²³ @11

²⁴ @10

²⁵ @17

²⁶ @16

²⁷ [Haas98] S. 29.

²⁸ [ Haas98] S.29.

²⁹ [Haas98] S.29/30.

³⁰ [Haas98] S. 29/30.