Seminar „Zukunft der Energie“, Salem 2008 Behrend Heeren

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

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Typen von Wasserkraftwerken
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

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

4 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

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

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 Wasserkraft heute Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes
Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

8 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

9 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 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

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

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

12 Lastzeiten Netzbelastung eines Stromnetzes, abhängig von der Tageszeit
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

13 Lastzeiten Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes
Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

14 Kraftwerkstypen Grundlastkraftwerke: niedrigste Stromentstehungskosten
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

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

16 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

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

19 Wasserturbine Leistung P (in Watt):
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

20 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)

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

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

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

25 Strombojen Boje mit Turbine und Generator, im Fluss verankert
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

26 Strombojen Unterschiede zu traditionellen Flusskraftwerken:
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

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

29 Speicherkraftwerke Einteilung nach Füll- und Entleerungsrhythmus
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

30 Pumpspeicherkraftwerke
Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

31 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

32 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)

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

34 Gezeitenkraftwerke nutzt Lageenergie des wechselnden Meeresspiegels
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

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

36 Gezeitenkraftwerke weltweit nur ca. 100 geeignete Stellen (Buchten)
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

37 Strömungskraftwerke Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes
Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

38 Strömungskraftwerke Strömungskraftwerke nutzen Meeresströmungen
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)

39 Strömungskraftwerke Vorteile gegenüber Gezeitenkraftwerken:
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)

40 Wellenkraftwerke Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes
Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

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 Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit

42 Wellenkraftwerke Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC)
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

43 Wellenkraftwerke Auftriebskörper („Die Seeschlange“)
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

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

45 (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

46 (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

47 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)

48 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

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

50 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

51 Kenngrößen Typ Name Leistung* Flusskraftwerk Rhein-KWe <110MW
größtes in Deutschland Stromboje <20kW ->140kW, Parks: ->2MW Speicher-KW/ Stauanlage Walchensee 124MW 3Schluchten 18.000MW größtes weltweit PSKW Goldisthal 1060MW Gezeiten-KW <260MW ->5000MW geplant Strömungs-KW Sea Flow 300kW kein Netzanschluss Hammerfest Prototyp Wellen-KW OCW <200kW ->1,5MW Seeschlange 750kW Parks bis 25MW geplant Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit *Vergleich: Braunkohle ->3000MW, Steinkohle ->2000MW, AKW ->1500MW

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

53 Quellen www.wikipedia.de www.buch-der-synergie.de www.bmu.de
Einleitung Aufbau eines Wasserkraftwerkes Typen von Wasserkraftwerken Auswirkungen Fazit