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Erneuerbare Energien am Beispiel Wasserkraft - Referat
Wasserkraft
1. Definition & Geschichte
Als Wasserkraft bezeichnet man die Energie von bewegtem Wasser.
In früheren Zeiten (Mittelalter, Römisches Reich) wurde diese Energie des bewegten Wassers, an Flüssen durch Wasserräder an Mühlen direkt genutzt. Heute nutzt man modernere „Mühlen“, so genante Wasserkraftwerke, um Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Der erste Strom aus Wasserkraft wurde 1880 erzeugt.
2. Wasserkraftwerke
Energie kommt bekanntlich in verschiedenen Formen vor, z.B. in Lageenergie, Bewegungsenergie und elektrischer Energie
Ähnlich wie beim Fahrraddynamo, der durch das Rad angetrieben wird und dabei Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, funktioniert auch ein Wasserkraftwerk.
Bei Wasserkraftwerken wird Wasser mit hohem Druck oder Geschwindigkeit auf eine Turbine geleitet, wodurch diese und ein mit ihr verbundener Generator angetrieben wird. Dabei wird Bewegungsenergie in Elektrische Energie umgewandelt.
Es gibt verschiedene Arten von Wasserkraftwerken die an unterschiedlichen Stellen, wie zum Beispiel am Meer, in den Bergen oder an einem Fluss, eingesetzt werden. Diese teile ich in zwei Gruppen ein:
- die Kraftwerke zur Abdeckung der Grundlast
- die Kraftwerke zur Abdeckung einer Spitzenlast.
2.1. Kraftwerke zur Abdeckung der Grundlast
Das sind Kraftwerke, die ständig laufen und damit die Grundlast im Strom-Netz abgedeckt wird.
Hierfür eignen sich die Flusswasserkraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerke und Meeresströmungskraftwerke. Das kommt daher, weil bei diesen Kraftwerken eine ständige Bewegungsenergie vorhanden ist. Diese kann man nicht anhalten oder Speichern, sie erzeugen ständig elektrischen Strom.
Auslastung: über 50 %
2.1.1. Die Arten der Kraftwerke und ihre Wirkungsweise
Laufwasserkraftwerk/Flusskraftwerk
Laufwasserkraftwerke werden meist an Flüssen, die Gefälle und hohe Durchflussmengen aufweisen, angewandt. Oft werden sie auch in Verbindung mit einer Schleuse angelegt.
Das hinunter strömende Wasser treibt meist eine Kaplan-Turbine an, wenn das Gefälle nicht hoch ist jedoch die Durchflussmenge sehr hoch ist.
Gezeitenkraftwerk
Gezeitenkraftwerke werden, am Eingang, in großen Meeresbuchten Errichtet die hohen unterschiede zwischen Ebbe und Flut aufweisen.
Bei Flut wird das Wasser vom Meer her durch das Kraftwerk in die Bucht geleitet, im Kraftwerk wird die Bewegungsenergie dann in elektrische Energie umgewandelt. Nachdem der Wasserstand ausgeglichen ist und die Ebbe einsetzt strömt das Wasser wieder durch das Kraftwerk aus der Bucht ins offene Meer und wieder wird im Kraftwerk wieder die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.
Hier werden stets Kaplan-Turbinen eingesetzt.
Diese Bauart dient auch zur Erzeugung der Grundlast, allerdings kann es während der Flut, wenn es überschüssige Energie aus anderen Kraftwerken gibt, dazu genutzt werden, noch mehr Wasser in die Meeresbucht zu pumpen. Somit erreicht man einen größeren Höhenunterschied der beiden Wasserstände und kann später während der Ebbe zusätzlich die gespeicherte Energie ausnutzen. So kann man diese Kraftwerke teilweise auch als Speicherkraftwerke einsetzen.
Wellenkraftwerk
Im Wellenkraftwerk werden die ständigen Bewegungen der Wellen genutzt um Energie umzuwandeln. Diese Methode funktioniert so: die Wellen strömen in einen hohlen Betonklotz im Meer ein, hierbei entsteht im Hohlraum Überdruck und die Luft wird zusammengepresst, durch den Druckunterschied strömt die Luft durch eine Windturbine nach außen, die somit Energie umwandelt. Wenn das Wasser wieder hinausströmt entsteht Unterdruck, der wiederum Luft durch die Windturbine einströmen läst und dadurch wieder Energie umwandelt.
Meeresströmungskraftwerk
Im Prinzip funktioniert ein Meeresströmungskraftwerk wie ein Windrad, nur der Vorgang der Energieumwandlung findet im Wasser statt. Der Durchmesser des Rotors ist allerdings wesentlich kleiner (ca. 5m), dieser wird in einer Wassertiefe von 30 m an einer Schiene befestigt. So kann man ihn zu Wartungsarbeiten rauf fahren und im trockenen begutachten. Die Meeresströmungskraftwerke können meistens auch mehr Energie erzeugen als Windkraftanlagen, da das Wasser eine höhere dichte aufweist. Außerdem ist berechenbar wie viel Energie erzeugt wird da die Gezeiten eine kontinuierliche Geschwindigkeit haben.
2.2. Spitzenlastkraftwerke
Diese Kraftwerke werden nur eingesetzt wenn der erzeugte Strom der Grundlastkraftwerke nicht ausreicht um den Energiebedarf zu decken.
Dazu verwendet man Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke. Denn bei diesen zwei Typen kann man die Energie, in Form der Lageenergie des Wassers, speichern und bei Bedarf sofort in elektrische Energie umwandeln. Wenn z. B. in der Mittagszeit zuhause gekocht wird, alle Kantinen auf Hochleistung laufen und die Arbeiter kurz vor der Pause an den Maschinen noch mal richtig Gas geben, werden die Spitzenlastkraftwerke meist zugeschaltet.
Denn zu diesen Zeiten wird mehr Energie benötigt als die Grundlastkraftwerke erzeugen können.
Auslastung: unter 30 %
2.2.1. Die Arten der Kraftwerke und ihre Wirkungsweise
Speicherkraftwerk
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Wie der Name schon sagt wird hier Wasser Gespeichert um es in der Zeit der Netzspitzenleistung einzusetzen um damit genug Energie für das Stromnetz zur Verfügung stellen zu können. Allerdings ist bei dieser Bauart mit einem großen Flächen- und Wartungsaufwand zu rechnen, da man hier eine hohe Wassersäule mit einem Fallrohr hat das an den Stausee angeschlossen ist und dieser sehr viel Fläche für das gestaute Wasser benötigt. Durch hohen Druck kann man hier schnell, viel Energie umwandeln.
Dafür verwendet man gewöhnlich Pelton-Turbinen teilweise auch Francis-Turbinen.
Pumpspeicherkraftwerk
Pumpspeicherkraftwerke funktionieren wie Speicherkraftwerke, nur dass sie in Zeiten, in denen überschüssiger Strom vorhanden ist, Wasser aus dem unten liegenden Gewässer in den oberhalb liegenden Stausee pumpen können um später Spitzenstrom zu erzeugen.
Auslastung
Definition:
Auslastung = Die erzeugte Strommenge im Verhältnis zur Nennleistung.
Nennleistung = Leistung bei optimalen Bedingungen des Kraftwerkes.
Fallhöhe
Auch zu beachten ist welche Fallhöhe das Wasser hat.
Nutzgefälle = Höhenunterschied zwischen dem Oberwasser (Wasserspiegel oberhalb der Turbine) und dem Wasserspiegel an der Turbine.
Das Unterwasser (Wasserspiegel nach der Turbine) spielt keine Rolle.
Niederdruckkraftwerke
Fallhöhe: unter 20 m
Durchfluss: groß
Verwendung für: Grundlast Betrieb
Turbinenarten: Kaplan-Turbine
Bauarten: Flusskraftwerk, Gezeitenkraftwerk, Wellenkraftwerk, Meeresströmungskraftwerk
Mitteldruckkraftwerke
Fallhöhe: zwischen 20 und 100 m
Durchfluss: mittel - groß
Verwendung für: Grundlast, vereinzelt auch Spitzenlast
Turbinenarten: Francis-Turbine, Kaplan-Turbine
Bauarten: Flusskraftwerk, Speicherkraftwerk
Hochdruckkraftwerke
Fallhöhe: über 100 m bis hin zu 2.000 m
Durchfluss: gering
Verwendung für: Spitzenlast Betrieb
Turbinenarten: Pelton-Turbine, vereinzelt auch die Francis-Turbine
Bauarten: Speicherkraftwerk, Pumpspeicherkraftwerk
3. Turbinen Typen
Es gibt verschiedene Turbinen für die verschiedenen Kraftwerks Typen.
Kaplan-Turbine
Verwendung bei Fallhöhen von 10 -70 m und sehr großen Wassermassen.
Die Form der Turbine ähnelt einer Schiffsschraube die senkrecht in der Mitte des Spiralförmigen Einlaufkanals liegt. Zwischen den beiden Teilen sind Leitschaufeln angebracht, die das Wasser auf die Laufschaufeln ausrichten.
Mit diesen Turbinen kann man Leistungen bis zu 125 MW erreichen.
Und es werden Wirkungsgrasgrade bis zu 95% erreicht.
Francis-Turbine
Verwendung bei Fallhöhen von 50 -800 m und mittleren Wassermenge.
Francis-Turbinen funktionieren ähnlich wie die Kaplan-Turbinen allerdings mit einer größeren Fallhöhe und die Schaufeln haben eine andere Form (siehe Bild links).
Mit diesen Turbinen kann man
Leistungen bis zu 750 MW erreichen.
Es werden Wirkungsgrasgrade bis zu 90% erreicht.
Pelton-Turbine
Verwendung bei Fallhöhen bis zu 2000m und kleinen Wassermengen aber großem Druck.
Das Wasser wird durch ein enger werdendes Rohr und am Ende durch eine „relativ“ kleine Öffnung gepresst, so erreicht man einen enorme Geschwindigkeit und die Turbine wird damit angetrieben. Von diesen Rohren werden bis zu sechs Stück auf eine Turbine geleitet. Mit diesen Turbinen kann man Leistungen bis zu 500 MW erreichen.
Es werden Wirkungsgrasgrade über 90% erreicht.
4. Vor- und Nachteile von Wasserkraft
Vorteile Nachteile
Kein verbrauch Natürlicher Ressourcen Große Eingriffe in Lebensräume
Hohe wirkungsgrade
(teilweise über 90%) Einschränkung im Lebensraum
von Wanderfischen
Möglichkeit die „Energie“ zu speichern Überstauung von großen Flächen
Lange Lebensdauer der Anlagen Hohe Investitionen
Schnelles Anfahren und Abstellen der Anlagen Standortbedingt große Entfernungen vom Kraftwerk zum Verbraucher
„Saubere Energie“ keine CO2 Ausstoß und keine Abfälle
Kombinierbar mit Schleusen
und Dämmen
Meerzwecknutzung (Trinkwassergewinnung, Tourismus, Fischzucht, Schiffart, …)
5. Zukunft
Die Stromgewinnung aus Wasserkraft hat durchaus Zukunft allerdings sind die meisten Standorte, für Wasserkraftwerke in Deutschland, schon erschlossen und können nur noch durch Modernisierung, Wiederinbetriebnahme und Erneuerungen höhere Leistungen erbringen. Bis 2012 könnten die vorhandenen Wasserkraftanlagen soweit modernisiert und ausgebaut sein, dass man etwa doppelt so viel Energie wie heute damit erzeugen könnte.
In anderen Ländern hat Wasserkraft jetzt schon Anteile am Markt für elektrische Energie, z.B. in Norwegen werden 99% und in Brasilien 96%, des benötigten Stroms mit Wasserkraft erzeugt. Zum Vergleich in Deutschland sind es nur rund 5%.
Alles in allem ist die Wasserkraft in Deutschland eine der wichtigsten Erneuerbaren Energien und ist durchaus zukunftssicher.
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Quellen:
http://www.buerchen.ch/edb/index.php?sel=8-1 http://www.buerchen.ch/edb/index.php?sel=8-2
http://www.energien-erneuerbar.de/wasserkraft.html
http://www.franz-marc-gymnasium.de/aktuell/wettb/1999_00/donauer/Stadlberger%20Korbinian.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserkraftwerk
http://www.rs-saarburg.bildung-rp.de/MN/Wasserkraft/artenK.htm
http://www.thema-energie.de/
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