Wasserkraftwerke

Wasserkraftwerke Seminar „Zukunft der Energie“, Salem 2008 Behrend Heeren

Inhalt • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 1. Einleitung 2. Typen von Wasserkraftwerken 2.1 Aufbau eines Wasserkraftwerkes 2.2 Wasserkraftwerke in Binnengewässern 2.3 Wasserkraftwerke im Meer 3. Grenzen der Nutzung 4. Zusammenfassung

1. Einleitung • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Wasserkraft (Hydroenergie) • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Historische Nutzung: Wasserräder • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • PAuswirkungen • Fazit

Historische Nutzung: Wasserräder • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Wasserkraft heute • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Wasserkraft heute (weltweit) Anteile an der Stromerzeugung weltweit (2005) • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • Nutzungsmöglichkeiten stark abhängig von geographischer Lage • Norwegen: fast 100% des Strombedarfs aus Wasserkraft, Brasilien und Ghana 80%, Alpenländer 50% Quelle: BMU

Wasserkraft heute (Deutschland) • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Wasserkraft heute (Deutschland) Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit Quelle: BMU

Grundbegriffe (Stromerzeugung) • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Lastzeiten • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Lastzeiten • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Kraftwerkstypen • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit Grundlastkraftwerke: • niedrigste Stromentstehungskosten • keine schnelle Regelbarkeit erforderlich • Bsp: AKW, Braunkohle, Wasserkraft Mittellastkraftwerke: • besser regelbar als Grundlastkraftwerke • Bsp: Steinkohlekraftwerke Spitzenlastkraftwerke: • schnell regelbar, hohe Erzeugungskosten • Bsp: Gasturbinen- und Pumpspeicherkraftwerke

2. Wasserkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Typen von Wasserkraftwerken • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • Lauf- oder Flusskraftwerke • (Pump-)Speicherkraftwerke • Gezeitenkraftwerke • Wellenkraftwerke • Meeresströmungskraftwerke • Einteilung nach: Auslastung, Bauart, Leistung • Leistung eines Kraftwerkes: Eingespeiste Strommenge im Kalenderjahr dividiert durch Jahresstundenzahl

Aufbau • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Wasserturbine • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Wasserturbine • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 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

Wasserturbine • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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)

Itaipu-Kraftwerk (Brasilien) • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Typen von Wasserturbinen • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Wasserkraftwerke in Binnengewässern • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Lauf- und Flusskraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Strombojen • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Strombojen • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 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

Speicherkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Speicherkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Speicherkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Pumpspeicherkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Pumpspeicherkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Pumpspeicherkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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)

Wasserkraftwerke im Meer • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Gezeitenkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Gezeitenkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 2. Phase 1. Phase Meer Staubecken 3. Phase 4. Phase

Gezeitenkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

Strömungskraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Strömungskraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • Strömungskraftwerke nutzen Meeresströmungen • Funktionsweise wie bei Windenergieanlagen Unterschiede zu Windenergieanlagen: • Meeresströmungen berechenbarer als Wetter (Wind) und permanent vorhanden • durch hohe Dichte des Wassers geringere Strömungsgeschwindigkeit notwendig (ca. 2 m/s) • wesentlich kleinere Rotorblätter (1/3 = 20m)

Strömungskraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 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)

Wellenkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

Wellenkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 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

Wellenkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 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

Wellenkraftwerke • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit 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

3. Grenzen der Nutzung • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit

(Ökologische) Auswirkungen • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit Stauanlagen: • Ausstoß von Methangas und großer Mengen CO² bei Überflutung von ungerodetem Land • geophysische Wirkungen des Wassergewichtes (Erdbeben) • Dammbrüche (Kettenreaktionen) • Vertreibung und Zwangsumsiedlungen

(Ökologische) Auswirkungen • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit Flusskraftwerke: • 21% der kartierten Gewässer höchstens „mäßig verändert“ • Verlust der Flussdynamik (Geschiebetransport) • Ausfall von ökologisch wichtigen Überflutungen • Beeinträchtigung von Fischwanderungen

Das Assuan-Kraftwerk (Ägypten) • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit Jährliche Nilüberschwemmungen unterbunden, dadurch: • Mangel an natürlichem Dünger (vor allem Lehm), Import von teurem, ökol. gefährdendem Kunstdünger • Nährstoffentzug für Fische • Rohstoff der Töpfer- und Ziegelindustrie entzogen • Rattenplagen (vorher Dezimierung durch Überschwemmung) stehendes Wasser hinter dem Damm fördert Ufererosion, zudem Auftreten von Malaria und Bilharziose schnelle Verschlammung des Stausees (hohe Kosten)

Drei-Schluchten-Damm • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

4. Zusammenfassung • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Potentiale und Auswirkungen • Fazit

Zusammenfassung • Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes • Typen von Wasserkraftwerken • Auswirkungen • Fazit • 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

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