Energie aus Wasserkraft
1. Referat:
Vorteile:
 Wir haben ein sehr großes Problem in dieser Welt, weil wir zu
bestimmten Zeiten sehr viel Strom brauchen. Diese kann man aber
nicht immer ausrechnen oder vorhersagen. Wir haben aber nicht sehr
viele Stromspeicher, deshalb brauchen wir Kraftwerke mit denen wir
jeder Zeit (eine andere Art von) Storm herstellen können. Das heißt
hier sind Wasserkraftwerke sehr nützlich. Da man z.B. bei einem
Pumpspeicherkraftwerk einen Stausee hat von dem man in
Sekundenschnelle das Wasser ablassen kann, welches durch die
Turbinen fließt die dann Strom erzeugen. Andere Kraftwerke wie
Kernkraftwerke oder Windkraftwerke sind in ihrer Stromherstellung
nicht so schnell zu beeinflussen, das Windkraftwerk können wir z.B.
selbst gar nichts Steuern.
Durch die Stromproduktion aus Wasser schaden wir auch nicht der
Umwelt, weil hier keine Abgase frei werden.
Nachteile:
Wir können diese Wasserwerke nur an bestimmten Stellen bauen da wir
ein bestimmtes Gefälle dafür benötigen, bzw. einen See, aus dem man
das Wasser ablassen kann.
Was noch sehr gegen ein Wasserkraftwerk spricht ist, dass es sehr
viel Platz in Anspruch nimmt.
Daten und Fakten:
Das größte Wasserwerk in Russland liefert 6 Gigawatt Leistung. Diese Menge an
Leistung bräuchte man für 2 Fußballplätze, die
Zimmerhoch mit 100 Watt Birnen gelagert sind. Der größte Tidenhub
von 21 Metern ist der Fundabay in Neubraunschweig. Der Größte
Stausee betragt 250 Kubikkilometer, der Bodensee hat im vergleich
gerade mal 48 Kubikkilometer. Für den Bau eines Kraftwerkes müssen
genaue Vorschriften eingehalten werden:
Geschichte:
Die Wissenschaftler schätzen, dass es schon vor über 3000 Jahren
Wasserräder gab, Sie wurden damals aber nur zur Bewässerung der
Felder verwändet. Sie würden früher nur einfach aus Holz gebaut und
pumpten das Wasser auf eine Holzrinne, so konnte das Wasser für die
Felder schneller dort hin gebracht werden, wo es gebraucht wurde.
Später verwendeten auch die Müller Wasserräder um das Korn zu
mahlen. Heute verwenden wir es zur Stromgewinnung. Wir produzieren
von unserem Strom ca. 5% nur aus Wasserkraft.
Wasserkraftwerke:
Es gibt verschieden Arten von Wasserkraftwerken die alle ein wenig
anders funktionieren es gibt z.B.
" Laufwasserkraftwerk
" Speicherkraftwerk
" Pumpspeicherkraftwerk
" Gezeitenkraftwerk
" Gletscherkraftwerk
" Wellenkraftwerk Schema eines Pumpspeicherkraftwerks
Das
Laufwasserwerk
ist die einfachste Art von Wasserkraftwerken. Es
funktioniert nach der alten Art und Weise. Hierzu braucht man ein
Gewässer und ein Wasserrad, dieses ist auf einem Lager gelagert und
wird somit durch die Wassergeschwindigkeit angetrieben. Das
Laufwasserwerk bringt ständig Strom in das Netz es Läuft 24 Stunden
am Tag immer im gleichen Betrieb. Der Nachteil von diesem Wasserwerk
ist das man die Geschwindigkeit des Rades nicht regulieren kann.
Dies sieht man z.B:
 Das
Speicherkraftwerk wird
mit einem Stausee betrieben. Man unterscheidet hier zwischen Tages-,
Monats-, Jahresspeicher. Diese Wasserwerke werden zu den
Hauptverbrauchszeiten eingesetzt. Man kann hier selbst die
Regulierung übernehmen und somit zu bestimmten Zeiten viel Energie
gewinnen. Durch das Aufstauen kann man auch Hochwasser regulieren,
Trinkwasser und Bewässerungswasser speichern. Das dies aber sehr
viel Platz in Anspruch nimmt ist ein sehr großer Nachteil.
Das
Pumpspeicherkraftwerk
dient zur Haltung der Netzfrequenz, Stabilisierung des Netzes und
als Reservewerk, wenn andere Kraftwerke ausfallen. In diesem
Kraftwerk gibt es ein höher gelegenes Becken und ein niedrig
gelegenes Becken. Am Tag wenn am meisten Strom verbraucht wird, wird
das Wasser durch Turbinen und Generatoren nach unten in das
niedrigere Becken gelassen. In der Nacht wird das Wasser mit dem
billigen Nachtstrom wieder nach oben gepumpt. Hier dienen die
Turbinen als Pumpen. Diese Art von Wasserkraftwerk gibt es z. B. in
Luxemburg in dem Vianden Kraftwerk dies ist eins der größten
Wasserwerke und kann jederzeit 1100 Megawatt Strom liefern. Wir
haben auch in Deutschland ein solches Kraftwerk es liegt am
Schluchtsee der südöstlich von Freiburg ist. Das
Kosten/Nutzverhältnis stimmt bis jetzt nicht über ein. Doch die Idee
von "Werner und Siemens" wird weiterentwickelt um dieses Problem zu
beheben oder wenigstens zu verringern.
 Das
Gezeitenkraftwerk
nutzt die doppelte Kraft des Wassers aus. Das Wasser wird
zweimal durch die Turbinen geleitet. Es wird das erste Mal gefüllt
wenn bei der Flut der Wasserspiegel steigt wenn bei Ebbe der
Wasserspiegel wieder sinkt wird es ein zweites mal durch die
Turbinen geleitet. So kann man bis 140 Megawatt Strom in der Stunde
erzeugen. Das ganze lohnt sich aber nur bei großen Tiefenhüben wie
bei Saint Malo wo das Wasser 13.5 Meter fällt und somit durch 10
Turbinen geleitet werden kann, die in einer 750 Meter langen
Staumauereingebaut sind.
Das
Gletscherkraftwerk
besteht aus einem Stausee, in dem man das Schmelzwasser staut und
Turbinen die dann die Generatoren in Betrieb setzten.
Das
Wellenkraftwerk soll es
sogar auch geben. Dies ist aber sehr kosten aufwendig und, schwer zu
bauen, da man die Wellen und die Generatoren auf einer elektrischen
Achse lagern muss da die Richtung der Wellen oft sehr schwankt.
Die Turbine:
Auch hier gibt es wie bei den Wasserkraftwerken verschiedene Arten.
" Kaplan-Turbine
" Freistrahl-Turbine
" Francis-Turbine
" Rohr-Turbine
Kaplan- Turbine
 Die
Kaplan-Turbine wurde 1913 vom österreichischen Ingenieur Viktor
Kaplan entwickelt. Sie eignet sich besonders für Flüsse, bei denen
große Wassermengen bei geringem Gefälle zur Verfügung stehen.
Vertikal eingebaute Kaplan-Turbinen werden in Flusskraftwerken für
Fallhöhen bis maximal 65 m eingesetzt.
Das Laufrad der Kaplan-Turbine ist einem Schiffspropeller ähnlich.
Durch dessen verstellbare Schaufeln strömen die Wassermassen und
treiben die Turbine an.
 Der
Leitapparat der Kaplan-Turbine besteht aus jalousieartigen Lamellen.
Er hat die Aufgabe, die einströmenden Wassermassen so zu lenken,
dass sie parallel zur Turbinenwelle auf die Schaufeln des Laufrades
treffen.
Die Schaufeln werden mit Servomotoren gesteuert. Verstellbar sind
sowohl die Schaufeln des Leitapparats als auch die Schaufeln des
Laufrades. Sie werden den Schwankungen der Wasserführung und des
Gefälles angepasst. Je nach Einsatzbereich werden Kaplan-Turbinen
mit drei bis sechs Laufradschaufeln gebaut.
 Große
Kaplan-Turbinen sind vorwiegend vertikal eingebaut, so dass das
Wasser von oben nach unten durchströmt. Eine Kaplan-Turbine im
Donaukraftwerk Aschach hat einen Laufraddurchmesser von 8,4 m und
ein Gesamtgewicht von 1 300 Tonnen. Kaplan-Turbinen laufen äußerst
schnell und haben einen Wirkungsgrad bis zu 95 %.
Sonderform:
TAT-Turbine
Bei kleineren Wasserkraftwerken (max. 10 MW) mit einer Fallhöhe
zwischen 2 und 24 m werden heute TAT-Turbinen (Tubular Axial
Turbines) eingesetzt. Das sind kleinere Kaplan-Turbinen mit
vorwiegend vertikaler Achse. Bei diesen Turbinen kann nur entweder
das Laufrad oder das Leitrad reguliert werden.
Francis-Turbine
Historische
Entwicklung
 Die
Francis-Turbine wurde 1849 von dem angloamerikanischen Ingenieur
James B. Francis entwickelt. Dieses Prinzip geht eigentlich auf
Benoit Fourneyron aus dem Jahre 1824 zurück. Er ließ das Wasser
innerhalb eines geschlossenen Systems zunächst durch die gekrümmten
Schaufeln eines Leitwerks strömen, bevor es auf die Schaufeln des
Laufrades trifft und diese in Bewegung setzt. Zum Unterschied von
der Francis-Turbine war bei Fourneyron das Leitwerk im Inneren des
Laufrades, und das Wasser musste radial nach außen fließen. Diese
von Fourneyron entwickelte Turbine hatte bereits einen Wirkungsgrad
von etwa 80%. Auch die Kaplan-Turbine arbeitet im wesentlichen nach
diesem Prinzip.
 Francis-Turbinen
sind am weitesten verbreitet, da sie universell einsetzbar sind. Sie
werden in Österreich bis zu Fallhöhen von 500 Metern eingesetzt.
Das Wasser strömt durch einen Leitapparat mit verstellbaren
Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades.
Die Wasserzufuhr erfolgt über ein schneckenförmig gekrümmtes Rohr,
Spirale genannt.
 Um
die Turbinenleistung den Erfordernissen anzupassen, kann das
zuströmende Wasser durch die verstellbaren Schaufeln des
Leitapparats reguliert werden. Das abgearbeitete Wasser fließt über
das Saugrohr in der Verlängerung der Turbinenachse ab.
Die Turbinenachse kann unterschiedlich gelagert sein. Bei
Kraftwerken mit größerer Leistung und größeren Fallhöhen wird sie in
der Regel vertikal eingebaut. So sind im Krafthaus Imst, wo durch
die Abkürzung einer Flussschleife eine Fallhöhe von 143,5 Metern
erzielt wird, 3 Francis-Turbinen mit vertikaler Achse installiert.
Bei kleineren Anlagen, wie z. B. im Kraftwerk Heinfels, ist die
Turbinenachse meist horizontal gelagert.
 Weitere Verbesserungen der Fourneyron-Turbine erfolgten 1837 durch
den Deutschen Karl Anton Henschel, den Amerikaner Samuel B. Howd,
der 1838 das Laufrad ins Innere des Leitwerks verlegte, sowie den
Engländer James Thomson, der die verstellbaren Leitschaufeln und die
gekrümmten Laufradschaufeln entwickelte.
Francis verbesserte dann diese Turbine und erzielte einen
Wirkungsgrad von etwa 90 %.
Francis-Schacht-Turbine
Für Leistungen bis 2 Megawatt und Fallhöhen bis etwa 2 Meter eignen
sich Francis-Schacht-Turbinen.
Francis-Spiral-Turbine
Für kleinere Kraftwerksanlagen bis maximal 10 Megawatt werden für
Fallhöhen zwischen 5 und 170 m standardisierte
Francis-Spiral-Turbinen eingesetzt.
2. Referat
Übersicht:
 Mehr als
70 Prozent der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt: Meere, Seen
und Flüsse. In ihnen steckt ein gewaltiges Energiepotential, aus dem
sich auch Strom gewinnen lässt. Die ersten Wasserräder gab es
wahrscheinlich schon vor 3000 Jahren zur Feldbewässerung. Allein in
Deutschland gibt es mehr als 660 Wasserkraftwerke, die immerhin ca.
5% des Stromes liefern, 1992 waren es 15.900 GWh. Zwar sind die
Baukosten sehr hoch, aber der Strom ist danach billig, da keine
Brennstoffe verwendet werden. Das Potential in Deutschland ist zwar
schon zu ¾ ausgenutzt, aber die Zahl der Kraftwerke steigt weiter
an: Es wird damit gerechnet, dass bis zum Jahr 2000 fast 2000 neue
Kleinkraftwerke gebaut werden.
Die
Kraftwerke bringen wichtige Vorteile für die Natur: Es wird kein
Brennstoff verbraucht und damit werden auch keine Emissionen
freigesetzt. Das größte schleswig-holsteinische Wasserkraftwerk,
Farchau, ersetzt rund 430.000 Liter Heizöl jährlich. Zudem werden
Sinkstoffe aus dem Fließwasser herausgefiltert, was die
Wasserqualität wesentlich verbessert. Der Wasserstand bleibt auch
konstant. Das schafft sogar neue Lebensräume für Tiere und Pflanzen.
In
Schleswig-Holstein gibt es mehrere Wasserkraftwerke, die Strom in
das Netz der Schleswag einspeisen. Das größte Kraftwerk, Farchau,
liefert 1,6 MW und hat eine Fallhöhe von 30 Metern. Zwei weitere
sind Herrenmühle mit 0,144 MW bei einer Höhe von nur 2,4 Metern und
Wellspang mit 0,04 MW mit 4,2 Metern.
Daten und Fakten:
Das
größte Wasserkraftwerk in Krasnoyarsk (Russland) liefert 6 GW Strom.
Das entspricht einer Menge von Hundert-Watt-Glühlampen (105 cm x
6 cm x 6 cm), die in Zimmerhöhe gestapelt zwei Fußballplätze füllen.
Die Fallhöhe des Wassers beträgt bis zu 2 Kilometer. Zum Vergleich:
Krümmel liefert 0,6 GW, und das Kernkraftwerk Brokdorf 1,326 GW. Der
größte Tidenhub von 21 Metern ist der Fundabay in Neubraunschweig
(Kanada). Der größte Inhalt eines Stausees beträgt 205
Kubikkilometer, der Bodensee hat gerade mal 48. Der Wirkungsgrad der
Wasserkraftwerke liegt zwischen 80 und 90 Prozent. Beim Auto ist
dieser Wert gerade mal 20%, bei einer Glühlampe 5%.
Laufwasserkraftwerke:
Laufwasserkraftwerke sind die einfachste und häufigste Art von
Kraftwerken. Es sind meist Wasserräder an Flüssen oder Kanälen. Sie
laufen in ständigem Betrieb und liefern ständig Strom ins Netz. Um
den Druck zu erhöhen, werden die natürlichen Widerstände in den
Flüssen verkleinert. Der Sinkstofftransport wird vermindert, und vor
allem werden Flüsse begradigt, wodurch die Erosion abnimmt. Zudem
wird die Fließgeschwindigkeit des Wassers verringert, um die innere
Reibung zu verkleinern. Meist entsteht der Druck auch noch durch ein
Gefälle, da das Wasser über eine weite Strecke einen Berg
hinab fließt.
Speicherkraftwerke:
Die
Speicherwasserkraftwerke werden in Tages-, Wochen-, Monats- und
Jahresspeicher unterteilt. Meistens werden sie zu
Spitzenverbrauchszeiten eingesetzt. Das Wasser, welches in Becken
aufgestaut wird, ist potentielle Energie, die bei Bedarf verwendet
wird. Aber die Stauung dient auch zur Hochwasserrückhaltung,
Regulierung des Abflusses für die Sicherheit der Schifffahrt, zur
Speicherung von Trinkwasser und zur Bewässerung.
Pumpspeicherwasserkraftwerke:
Pumpspeicherkraftwerke dienen zur Haltung der Netzfrequenz,
Stabilisierung des Netzes und als Reservewerk, wenn andere
Kraftwerke ausfallen.
In einem
Pumpspeicherwasserkraftwerk gibt es ein höher gelegenes und ein
niedrig gelegenes Wasserbecken. Zu den Tageszeiten, wo der
Stromverbrauch am höchsten ist, wird das Wasser vom oberen Becken
durch Turbinen und Generatoren in das niedrigere Bassin geleitet. In
der Nacht wird das Wasser dann mit billigem Nachtstrom durch
Rohrleitungen wieder in das obere Becken gepumpt, die Generatoren
und Turbinen werden dann als Pumpen verwendet.
Das
Pumpspeicherwasserkraftwerk Vianden in Luxemburg ist eines der
größten und kann jederzeit 1100 Megawatt liefern. Ein
Pumpspeicherwasserkraftwerk gibt es auch in Deutschland, am
Schluchsee, südöstlich von Freiburg.
Der
größte Nachteil ist jedoch, dass das Kosten-/Nutzen-Verhältnis bis
jetzt nicht übereinstimmt. Doch man entwickelt die Ideen Werner von
Siemens’ weiter, um dieses Problem zu beheben.
Gezeitenkraftwerke:
Dieser
Kraftwerkstyp nutzt die doppelte Kraft des Wassers aus: Das Wasser
wird zweimal durch Turbinen geleitet: Das erste Mal, wenn es bei
Flut ein Becken füllt, das zweite Mal, wenn es bei Ebbe wieder aus
diesem Becken heraus fließt. Das lohnt sich aber nur bei großen
Tidenhüben, zum Beispiel in Saint-Malo an der französischen Küste.
Das Wasser steigt und fällt hier 13,5 Meter, und es wird jeweils
durch 10 Turbinen geleitet, die in einer 750 Meter langen Staumauer
eingebaut sind. Das Kraftwerk liefert 0,24 Gigawatt Strom.
Gletscherkraftwerke:
Auch die
zweitgrößte Eismasse der Welt, das Grönländische Inlandeis, wird zur
Stromgewinnung eingesetzt. Das Eis hat eine Masse von 2,4 Millionen
Kubikkilometern. Der Bodensee hingegen hat nur 48 Kubikkilometer.
Bei Gletscherkraftwerken wird ein Schmelzwassersee an seinem
tiefsten Punkt angebohrt, damit man auch im Winter genug Wasser hat,
obwohl die Oberfläche des Sees gefriert. Dann wird das Wasser durch
ein Rohr unter dem Eis an die Küste geleitet, wo es in den Turbinen
Strom erzeugt. In Grönland ist bisher nur ein Kraftwerk gebaut
worden, das sein Wasser aus einem 11 Kilometer entfernten See
bekommt. Man schätzt aber, dass man in Grönland jährlich fast 10
Terawattstunden Strom gewinnen könnte!'
Wellenkraftwerke:
Sogar
die Kraft der Wellen soll für die Energiegewinnung genutzt werden.
Aber die Nutzung ist schwierig und vor allem teuer. Die Kraftwerke
müssen auf Plattformen entstehen, die voll automatisiert
funktionieren. Auch der Mechanismus, der die Wellenenergie in
elektrische Energie umwandelt, ist sehr kompliziert, da die Stärke
und Richtung der Wellen stark schwankt. |
