Wasserkraftanlagen

Frontmatter

1. Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

Zusammenfassung

In der Entwicklung der Menschheit spielten von Anfang an das örtliche Wasservorkommen und dessen Nutzung sowie der Schutz gegen drohende Gefahren durch das Wasser eine ausschlaggebende Rolle. Die Geschichtsschreibung stellt vielfach die einzelnen Entwicklungsstufen in Verbindung mit dem Wasser und den das Wasser beherrschenden Baumaßnahmen, wie man aus den Zeittafeln Abb. 1.1a-c gut erkennen kann. Für diese Maßnahmen prägten sich die Begriffe Hydrotechnikoder Allgemeiner Wasserbau ein.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

2. Grundlagen der Wasserkraftnutzung

Zusammenfassung

Die Energie des ruhenden Wassers, d. h. die Lageenergie oder die sogenannte potenzielle Energie, ist die mechanische Energie, die ein Wasserkörper aufgrund seiner Lage relativ zu einem sogenannten Bezugsniveau aufweist. So besitzt ein Körper der Masse m im Schwerefeld der Erde die potenzielle Energie:

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

3. Grundsätze der Planung und Projektierung

Zusammenfassung

Im Rahmen der Planungsaktivitäten für ein Wasserkraftanlagenprojekt, wozu sowohl die Errichtung neuer als auch die Reaktivierung und Erneuerung bestehender Wasserkraftanlagen zählen, treten verschiedene Phasen auf, die im Folgenden kurz dargestellt werden sollen (s. Abb. 3.1). Diese aufeinanderfolgenden Schritte sind im Grunde inhaltlich stets gleich und differieren letztlich nur in ihrem zeitlichen Umfang und der jeweils notwendigen Betrachtungstiefe.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

4. Typen von Wasserkraftanlagen

Zusammenfassung

Im Rahmen einer Klassifizierung von Wasserkraftwerken können unterschiedliche Schwerpunkte bzw. Gesichtspunkte in Betracht gezogen werden. Zwischen einzelnen Klassifizierungsgruppen bestehen oftmals enge Beziehungen und fließende ßbergänge, so dass sich eindeutige Abgrenzungen für eine Systematik nicht definieren lassen.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

5. Wasserfassung

Zusammenfassung

Wasserfassungen sind Bauwerke, die der Entnahme und gegebenenfalls Reinigung von Triebwasser aus einem Gewässer, d. h. Bach, Fluss, See oder Speicher dienen, das der Triebwasserleitung - im Falle von Freispiegelleitungen auch als Werkkanal oder Triebwasserkanal bezeichnet - einer Wasserkraftanlage zugeleitet wird.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

6. Freispiegelleitungen

Zusammenfassung

Für die Ausleitung des Triebwassers und die Zuführung zum Krafthaus kommen in vielen Fällen für Teilabschnitte oder auch für die ganze Strecke Freispiegelleitungen zum Einsatz, wobei diese als offene Gerinne, auch als Werkkanäle bezeichnet, oder als teilgefüllte geschlossene Querschnitte, z. B. als Rohrleitung oder Stollen, ausgeführt werden können.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

7. Sandfang

Zusammenfassung

Nachdem durch eine Wasserfassung (s. Kapitel 5) das im entnommenen Triebwasser mitgeführte Geschiebe deutlich reduziert werden kann, gilt es, die restliche Geschiebe- und Schwebstofffracht - soweit vorhanden und notwendig - mit Hilfe einer wirksamen Entsandungsanlage, auch Sandfang genannt (s. Abb. 7.1 und 7.2), zu minimieren. Üblicherweise liegt die Entsandungsgrenze bei einem Schwebstoffgehalt von 2.000 ppm bzw. charakteristischen Korndurchmessern von d _ch = 0,2-0,5 mm, wobei bei Hochdruckanlagen mit einer Fallhöhe hf > 100 m eine Herabsetzung bis zu einem Korndurchmesser von d _ch = 0,05-0,1 mm notwendigwerden kann.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

8. Druckrohrleitungen

Zusammenfassung

Grundsätzliches Ziel einer Triebwasserleitung ist es, eine möglichst kurze Verbindung zwischen dem Entnahmebauwerk bzw. dem Wasserschloss und dem Krafthaus zu schaffen. Daher kommen in vielen Fällen keine Freispiegelleitungen, sondern vollständig gefüllte, unter Druck stehende Rohrleitungen zum Einsatz, bei denen die sonst deutlichen Energieverluste infolge Reibung gering gehalten werden können. Die Triebwasserleitung wird bei größerer Länge normalerweise in zwei Strecken aufgegliedert: in einen nahezu horizontal verlaufenden, meistens als Druckstollen zwischen Talsperre und Wasserschloss ausgebildeten Streckenabschnitt und in die zum Krafthaus hinabführende Druckrohrleitung, die auch als Hangrohrleitung bezeichnet wird. Letztere kann auch in einen Druckschacht bzw. Druckstollen, besonders bei Kavernenkraftwerken, übergehen (s. a. Kapitel 9).

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

9. Druckstollen und Druckschächte

Zusammenfassung

Druckstollen kommen bei Wasserkraftanlagen immer dann zur Ausführung, wenn die Topografie des Geländes den Bau einer an der Oberfläche geführten Druckrohrleitung (s. Kapitel 8) nicht zulässt. Dies ist z. B. bei einem Kraftwerk, das aus mehreren Speichern oder benachbarten Einzugsgebieten gespeist wird, der Fall, um so das gesamte Einzugsgebiet der Anlage zu vergrößern. Außerdem kann die besondere Bauart des Kraftwerkes den Bau eines Druckstollens erfordern, z. B. bei einer Kavernenkraftanlage.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

10. Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

Zusammenfassung

Anstatt jede Turbine einer Wasserkraftanlage mit einer eigenen Zuleitung zu versehen, wird das Triebwasser in der Regel erst kurz vor dem Krafthaus mittels Rohrverzweigungen auf die einzelnen Turbinen verteilt. Diese Ausbildung von Verteilrohrleitungen ist vor allem in wirtschaftlichen Überlegungen begründet, da sowohl die Investitionen als auch die hydraulischen Verluste bei einem Einrohrsystem häufig günstiger zu beurteilen sind als bei mehreren Zuführungsleitungen (siehe auch Kapitel 8.2).

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

11. Wasserschlösser und Schwallkammern

Zusammenfassung

Bei Speicherkraftwerken liegen vielfach Talsperre und Krafthaus weit auseinander und weisen je nach Standort und Topografie große Höhenunterschiede auf. Demzufolge bestehen lange Triebwasserzuführungen, die sich aus bautechnischen, hydraulischen und ökonomischen Gründen vielfach in ein offenes Gerinne (Triebwasserkanal) oder eine Niederdruckleitung (Stollen- oder Rohrleitung) und eine Hochdruckleitung (Fallleitung, Druckschacht, Druckrohrleitung) aufgliedern. Beim Übergang von der flach geneigten Rohr- oder Stollenleitung zur steilen Hangrohrleitung oder zum stark geneigten bzw. senkrechten Druckschacht wird - von Ausnahmen abgesehen - ein Wasserschloss angeordnet. Im Falle eines am Hang entlang geführten offenen Triebwasserkanales bildet in der Regel ein Ausgleichsbecken den Übergang zur Druckleitung.

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12. Verschluss- und Regelorgane bei Rohrleitungen

Zusammenfassung

Die Verschluss- und Regelorgane in Rohrleitungen stellen wichtige Elemente jeder wassernutzenden Anlage dar. Sie regulieren die Zuleitung, Verteilung und Abführung von fließenden oder ruhenden Wassermassen, die angesichts der ständig wachsenden Abmessungen und Betriebsdrücke sowie der zunehmenden Ansprüche an möglichst geringem Druckhöhenverlust und Funktionstüchtigkeit hochwertige maschinelle Sonderausführungen darstellen. Ihre Gestaltung ergibt sich aus den mannigfaltigen Forderungen hinsichtlich strömungstechnischen Verhaltens, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Funktionstüchtigkeit, Betriebseigenschaften und Wirtschaftlichkeit. Zur Gesamtanlage stehen sie daher in enger Wechselwirkung.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

13. Krafthaus

Zusammenfassung

Beim Krafthaus handelt es sich um jenen Ort einer Wasserkraftanlage, der der Stromerzeugung im eigentlichen Sinne dient. Die hierzu notwendigen Maschinen und Anlagenteile (hydraulische Maschine, Generator und Transformator etc.), die Einrichtungen zur Zu- und Ableitung des Triebwassers (hydraulische Verschlussund Regelorgane, gegebenenfalls Einlaufspirale und Saugschlauch etc.), ferner die maschinellen und elektrischen Hilfseinrichtungen (Steuer- und Regleraggregate, Schaltungen etc.), die Montagevorrichtungen (Kran, Werkstätten etc.) sowie Nebenräume (Schaltwarte, Betriebs- und Sozialräume etc.) sind im Krafthaus selbst bzw. im direkten Anschluss daran angeordnet.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

14. Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

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Unter hydraulischen Maschinen versteht man im Allgemeinen Maschinen, durch die dem durchströmenden Wasser über das Laufrad, Wasserrad o. Ä. Energie entzogen und diese über eine Welle sowie gegebenenfalls über ein Getriebe durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch die direkte Nutzung zum Antrieb von anderweitigen Maschinen oder Einrichtungen, wie dies beispielsweise in Mühlen oder Hammerwerken der Fall ist, zählt hierzu, sie ist heute jedoch bekanntermaßen seltener anzutreffen.

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15. Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Zusammenfassung

Nachdem im vorausgehenden Kapitel 14 die Grundlagen und wesentlichen Unterscheidungsmerkmale der hydraulischen Maschinen erläutert sowie im Abschnitt 14.3 auf alle Bauteile von Turbinen außer dem Laufrad mit seinen zugehörigen Bauelementen eingegangen wurde, sollen nun die unterschiedlichen Typen der hydraulischen Maschinen zur Energieerzeugung unabhängig von der Leistungsgröße näher betrachtet und damit weitere Kriterien für die Wahl der entsprechenden Maschinenart dargelegt werden.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

16. Elektrotechnische Ausrüstung

Zusammenfassung

Die energetische Nutzung der kinetischen und der potenziellen Energie der natürlichen Wasservorkommen durch den Menschen begann vor über 4.000 Jahren und prägte seine kulturelle Entwicklung entscheidend mit. Dabei war die Nutzung der Wasserkraft allerdings weitgehend an das natürliche Vorhandensein geeigneter Gewässer gebunden.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

17. Pumpspeicherkraftwerke

Zusammenfassung

Die ersten Grundzüge von Pumpspeicherkraftwerken und deren energiewirtschaftliche Bedeutung in einem Stromverbundnetz wurden bereits in Kapitel 4.3.1 angesprochen und durch ein ausgewähltes Beispiel belegt; auf die besonderen wirtschaftlichen Aspekte wurde bereits im Abschnitt 3.3.1.7 detailliert eingegangen.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

18. Wasserkraft und Umwelt

Zusammenfassung

Entsprechend der ausgeprägt individuellen Eigenschaften eines jeden Wasserkraftprojektes muss die Betrachtung und Prüfung der jeweiligen Umweltwechselwirkungen sehr detailliert durchgeführt werden (s. Abb. 18.1). Die Wasserkraftnutzung unterscheidet sich von den anderen Möglichkeiten der elektrischen Stromerzeugung dadurch, dass die Wahl des Standortes, die Gestaltung der Anlage mit allen dazugehörigen Bauwerken und schließlich auch der Ausbaugrad im Grunde vollständig von der Natur und weniger von der anthropogenen, also vom Menschen beeinflussten Situation, abhängig sind.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

19. Mindestwasserregelungen

Zusammenfassung

Der Wasserentzug aus Fließgewässern durch Wasserkraftnutzung, Trinkwasserversorgung, Speicherbewirtschaftung, Bewässerung, Kühlung u. ä. hat zur Folge, dass die natürlichen Abflussverhältnisse im ursprünglichen Mutterbett je nach Entnahmequote teilweise stark verändert werden. Bei Totalentnahme führen diese Ausleitungsstrecken dann nur noch bei einem Wasserüberangebot, bei möglichen Sickerverlusten an der Wehranlage, unterhalb von Seitenzuflüssen oder durch Grundwasserzuströmung etc. Wasser. Durch eine Mindestwasserregelung soll in der Ausleitungsstrecke eine für die ökologische Funktionsfähigkeit notwendige Wasserführung sichergestellt werden.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

20. Durchgängigkeit für die Aquafauna an Wasserkraftstandorten

Zusammenfassung

Die lineare Durchgängigkeit von Fließgewässern wird insbesondere durch Querverbauungen, wie z. B. Sohlenabstürze, Kulturstaue, Wehre, Dämme oder Talsperren be- bzw. verhindert, so dass aquatische Organismen diese nicht überwinden können. Neben derartigen Bauwerken können aber auch Durchlässe, Düker, Pegel oder kanalisierte Fließgewässerstrecken als Wanderhindernisse wirksam sein.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

21. Ausführungsbeispiele

Zusammenfassung

Zur Veranschaulichung der vorausgegangenen Kapitel über theoretische Grundlagen, Planung, Konstruktion und Betrieb aller Anlagenkomponenten der Wasserkraftnutzung sollen über die bereits ausgeführten Beispiele hinaus zwei Anlagenkomplexe im Südschwarzwald (Kapitel 21.2) einschließlich eines Flusskraftwerkes (Kapitel 21.1), drei Kleinwasserkraftanlagen (Kapitel 21.2.3.3, 21.3 und 21.5) und das Großprojekt des Drei-Schluchten-Kraftwerkes am Jangtse in China (Kapitel 21.4) detaillierter dargestellt werden.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

22. Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

Zusammenfassung

Trotz des Bemühens, möglichst eindeutige Bezeichnungen zu finden, konnte infolge der unterschiedlichen Bereiche, die in diesem Buch abgehandelt werden (z. B. Mechanik, Statik, elektrische Maschinen), eine Mehrfachverwendung einzelner Kenngrößen und Symbole nicht immer vermieden werden.

Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi

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