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Wasserkraftwerke Seminar Zukunft der Energie, Salem 2008 Behrend Heeren.

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Präsentation zum Thema: "Wasserkraftwerke Seminar Zukunft der Energie, Salem 2008 Behrend Heeren."—  Präsentation transkript:

1 Wasserkraftwerke Seminar Zukunft der Energie, Salem 2008 Behrend Heeren

2 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

3 3 1. Einleitung Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

4 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

5 5 Historische Nutzung: Wasserräder Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken PAuswirkungen Fazit

6 6 Historische Nutzung: Wasserräder - Bewässerung in der Landwirtschaft (ca 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

7 7 Wasserkraft heute Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

8 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

10 10 Wasserkraft heute (Deutschland) Quelle: BMU Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

11 11 Grundbegriffe (Stromerzeugung) Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

12 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

13 13 Lastzeiten Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

14 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

15 15 2. Wasserkraftwerke Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

16 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

17 17 Aufbau Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

18 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

20 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 Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

21 21 Itaipu-Kraftwerk (Brasilien) Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

22 22 Typen von Wasserturbinen Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

23 23 Wasserkraftwerke in Binnengewässern Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

24 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

26 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

27 27 Speicherkraftwerke Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

28 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 geringer Wassermenge möglich Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

30 30 Pumpspeicherkraftwerke Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

32 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

33 33 Wasserkraftwerke im Meer Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

34 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

35 35 Gezeitenkraftwerke 1. Phase 2. Phase 3. Phase4. Phase Meer Staubecken Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

36 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

37 37 Strömungskraftwerke Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

38 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

40 40 Wellenkraftwerke Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 waren weltweit ca. 15 Kraftwerke in Betrieb Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

42 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

44 44 3. Grenzen der Nutzung Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

46 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

48 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

49 49 4. Zusammenfassung Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Potentiale und Auswirkungen Fazit

50 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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

51 51 Kenngrößen Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit TypNameLeistung* FlusskraftwerkRhein-KWe<110MWgrößtes in Deutschland Stromboje<20kW->140kW, Parks: ->2MW Speicher-KW/ Stauanlage Walchensee124MWgrößtes in Deutschland 3Schluchten MW größtes weltweit PSKWGoldisthal1060MWgrößtes in Deutschland Gezeiten-KW<260MW->5000MW geplant Strömungs- KW Sea Flow300kWkein Netzanschluss Hammerfest300kWPrototyp Wellen-KWOCW<200kW->1,5MW Seeschlange750kWParks bis 25MW geplant * Vergleich: Braunkohle ->3000MW, Steinkohle ->2000MW, AKW ->1500MW

52 52 Ende Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit Fragen???

53 53 Quellen Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit


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