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Energie aus Wasserkraft

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, ausdem 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 in der Stunde 6 Gigawatt Strom. Diese Menge an Storm 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 Trubinen als Pumpen. Diese Art von Wasserkraftwerk gibt es z. B. in Luxenburg 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 Schmelzwasserstaut 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.