Skip to main content
main-content
Top

About this book

Das Standardwerk zur Wasserkraftnutzung wurde insbesondere bei den Abschnitten über Triebwassersysteme, Sedimentmanagement, hydraulische Strömungsmaschinen für kleine Durchflüsse und niedrige Fallhöhen, Energiespeicherung und zum Stromverbundnetz neu bearbeitet. Es ist als Nachschlagewerk für angehende Ingenieure und Praktiker aus den Gebieten Wasserbau und Wasserkraft bewährt.

Einschlägige Statistiken, tabellarische Übersichten und Zahlenangaben wurden aktualisiert und fortgeschrieben, insbesondere zu Wasserkraftpotenzialen, Projektentwicklungen und Projektimplementierungen, zu Risikoanalysen sowie ökonomische Bewertungen. Erweitert wurde die Umstellung der Eurocode-Reihen, der maßgebenden Vertragswerke und der technischen Normen, Richtlinien und Vorgaben im nationalen und internationalen Umfeld. Eine weitgehende Überarbeitung erfuhren die Abschnitte über Triebwassersysteme, Sedimentmanagement, hydraulische Strömungsmaschinen für kleine Durchflüsse und niedrige Fallhöhen, über Energiespeicherung, vor allem Pumpspeicherkraftwerke, über das Stromverbundnetz, ferner über Fischaufstiegsanlagen und Fischabstiegseinrichtungen sowie über den generellen Fischschutz.

Die Autoren der 6. Auflage, Professor em. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Jürgen Giesecke und Dr.-Ing. Stephan Heimerl, vermitteln aus der Forschung und Praxis wichtige Kenntnisse.

Table of Contents

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 Hydrotechnik oder Allgemeiner Wasserbau ein.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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 sechs, zum Teil parallel ablaufenden bzw. bearbeitbaren Phasen sind im Grunde inhaltlich stets gleich und differieren letztlich nur in ihrem zeitlichen Umfang und der jeweils notwendigen Betrachtungstiefe. Dabei spielen prinzipiell weder Anlagengröße und -typ noch der Projektierungsanlass beim Projektierungsablauf eine Rolle.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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 Übergänge, so dass sich eindeutige Abgrenzungen für eine Systematik nicht definieren lassen.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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 h f > 100 m eine Herabsetzung bis zu einem Korndurchmesser von d ch = 0,05-0,1 mm notwendig werden kann.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

14. Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Zusammenfassung
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.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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. Das nicht ausgeleitete Mindestwasser, auch als Restwasser bezeichnet, verbleibt dann im Mutterbett und steht deshalb für den jeweiligen Nutzungszweck nicht zur Verfügung, so dass dies in manchen Fällen die Wirtschaftlichkeit der Anlage gefährden kann.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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 weder aufwärts noch abwärts überwinden können. Neben derartigen Bauwerken können aber auch Durchlässe, Düker, Pegel oder kanalisierte Fließgewässerstrecken u. a. m. als Wanderhindernisse wirksam sein.
Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

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, Stephan Heimerl

Backmatter

Additional information