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

(1)

Wasserkraftwerke

Seminar „Zukunft der Energie“, Salem 2008

Behrend Heeren

(2)

Inhalt

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

• Einleitung

• Aufbau eines

Wasserkraftw erkes

• Typen von Wasserkraftw erken

•

Auswirkunge n

• Fazit

(3)

3

1. Einleitung

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(4)

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

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(5)

5

Historische Nutzung: Wasserräder

• Einleitung

•

PAuswirkung en

• Fazit

(6)

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

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(7)

7

Wasserkraft heute

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(8)

Wasserkraft heute (weltweit)

- Nutzungsmöglichkeiten stark abhängig von geographischer Lage

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

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

Anteile an der Stromerzeugung weltweit (2005)

(9)

9

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

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(10)

Wasserkraft heute (Deutschland)

Quelle: BMU

Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(11)

11

Grundbegriffe (Stromerzeugung)

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(12)

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

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(13)

13

Lastzeiten

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(14)

Kraftwerkstypen

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

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(15)

15

2. Wasserkraftwerke

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(16)

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

•

Auswirkunge n

• Fazit

(17)

17

Aufbau

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(18)

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

•

Auswirkunge n

• Fazit

(19)

19

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

•

Auswirkunge n

• Fazit

(20)

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

•

Auswirkunge n

• Fazit

(21)

21

Itaipu-Kraftwerk (Brasilien)

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(22)

Typen von Wasserturbinen

• Einleitung

•

Auswirkunge n

• Fazit

(23)

23

Wasserkraftwerke in Binnengewässern

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(24)

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(25)

25

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(26)

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(27)

27

Speicherkraftwerke

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(28)

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

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(29)

29

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(30)

Pumpspeicherkraftwerke

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(31)

31

Pumpspeicherkraftwerke

-

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(32)

Pumpspeicherkraftwerke

-

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(33)

33

Wasserkraftwerke im Meer

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(34)

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(35)

35

Gezeitenkraftwerke

1. Phase 2. Phase

3. Phase 4. Phase

Meer Staubecken

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(36)

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(37)

37

Strömungskraftwerke

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(38)

Strömungskraftwerke

-

Strömungskraftwerke nutzen Meeresströmungen

-

Funktionsweise wie bei Windenergieanlagen Unterschiede zu Windenergieanlagen:

1.

Meeresströmungen berechenbarer als Wetter (Wind) und permanent vorhanden

2.

durch hohe Dichte des Wassers geringere

Strömungsgeschwindigkeit notwendig (ca. 2 m/s)

3.

wesentlich kleinere Rotorblätter (1/3 = 20m)

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(39)

39

Strömungskraftwerke

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(40)

Wellenkraftwerke

• Einleitung

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(41)

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• 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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(43)

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

•Aufbau eines

Auswirkunge n

• Fazit

(44)

3. Grenzen der Nutzung

• Einleitung

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit

(45)

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

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit

(46)

(Ökologische) Auswirkungen

Flusskraftwerke:



21% der kartierten Gewässer höchstens „mäßig verändert“



Verlust der Flussdynamik (Geschiebetransport)



Ausfall von ökologisch wichtigen Überflutungen



Beeinträchtigung von Fischwanderungen

• Einleitung

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit

(47)

47

Das Assuan-Kraftwerk (Ägypten)

Jährliche Nilüberschwemmungen unterbunden, dadurch:

1. Mangel an natürlichem Dünger (vor allem Lehm),

Import von teurem, ökol. gefährdendem Kunstdünger

2. Nährstoffentzug für Fische

3. Rohstoff der Töpfer- und Ziegelindustrie entzogen

4. 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

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit

(48)

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

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit

(49)

49

4. Zusammenfassung

• Einleitung

•Aufbau eines

•Potentiale und

Auswirkunge n

• Fazit

(50)

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

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit

(51)

51

Kenngrößen

• Einleitung

•Aufbau eines

•Auswirkung en

• 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

(52)

Ende

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

• Einleitung

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit

Fragen???

(53)

53

Quellen



www.wikipedia.de



www.buch-der-synergie.de



www.bmu.de



www.energie-fakten.de



www.wasserkraft.org

• Einleitung

•Aufbau eines

•

Auswirkunge n

• Fazit