Wasserkraft für die Zukunft der nachfolgenden Generationen

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Wasserkraft wird in Grundlastkraftwerken und in schnell reagierenden Regelkraftwerken genutzt. Professor Stefan Riedelbauch kommentiert den Stellenwert dieser nachhaltigen und erneuerbaren Stromerzeugung.

Die solare Strahlung der Sonne treibt den natürlichen Kreislauf des Wassers auf unseren Planeten an, aus dem Wasserkraftwerke elektrischen Strom für die technischen Errungenschaften unserer Gesellschaft erzeugen. Das physikalische Grundprinzip ist die Wandlung von potenzieller Energie in elektrischen Strom. Andere Konzepte nutzen die reine kinetische Energie von strömendem Wasser, zum Beispiel in Flüssen oder bestimmten Meeresgebieten. Die Energie in Flüssen stammt aus dem Wasserkreislauf und dem damit zugeordneten Wettergeschehen. Meeresströmungen aufgrund von Gezeiten werden durch die Massenanziehungskräfte zwischen Erde, Mond und Sonne verursacht

Sonnenstrahlung und Massenanziehung der Planeten sowie die daraus resultierenden Phänomene, mit denen Wasserkraftwerke betrieben werden können, sind echt erneuerbar und nachhaltig, da sie im Rahmen des menschlichen Zeithorizontes praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen. Aufgrund ihres aktiven Prinzips der Energiewandlung sind Wasserkraftwerke ideal geeignet, um zum einen als Grundlastkraftwerke zu dienen und zum anderen aber auch als schnelle Regelkraftwerke eingesetzt zu werden, besonders in einem elektrischen Netz mit einem hohen Anteil an fluktuierenden Stromerzeugern.

Hoher Wirkungsgrad und Flexibilität bei Wasserkraftwerken

Im Rahmen der Energiewende in Deutschland erhöht sich die Stromerzeugung durch Wind und Photovoltaik substantiell. Aufgrund ihrer Abhängigkeit vom Wettergeschehen fluktuiert jedoch ihre Stromerzeugung teilweise sehr stark in relativ kurzen Zeitintervallen. Wasserkraftwerke fallen durch ihre sehr schnelle Reaktionsfähigkeit auf, um Lastschwankungen im Netz auszugleichen, da sie von keinen von Natur aus trägen thermischen Prozessen abhängen. Sie können sehr flexibel mit sehr hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Darüber hinaus haben ihre Turbinen eine sehr hohe Leistungsdichte, da das Betriebsmedium Wasser als Flüssigkeit eine sehr große Dichte aufweist und die Leistung einer Strömungsmaschine unter anderem direkt proportional zur Dichte ist.

Dynamische Belastung der Mechanik im Wasserkraftwerk steigt

Eine stark erhöhte Flexibilisierung der Betriebsweisen von Wasserkraftwerken führt jedoch auch zu einer deutlich erhöhten dynamischen Belastung aller mechanischen Komponenten eines Kraftwerkes. Diese dynamischen Lasten werden hauptsächlich durch die hydraulische Turbine verursacht, deren Strömung besonders im Betriebsbereich außerhalb der Grundauslegung durch hohe Komplexität gekennzeichnet ist. Es entstehen instationäre Strömungsphänomene in allen Bauteilen der Turbine, wie zum Beispiel Wirbel in Voll- und Teillast, die meist kavitieren und selbst erregt schwingen können.

Weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist erforderlich

Zur genauen Vorhersage der Strömung und der damit verbundenen Lasten auf die Struktur sind intensive weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, die sich beispielsweise mit dem Einfluss von Turbulenzmodellen bei den technisch üblichen hohen Reynolds-Zahlen, mit der Modellierung von Kavitation und Freispiegelströmungen befassen oder auch mit schnellen Betriebsübergängen von Strömungsmaschinen sowie mit der Vorhersage von Gezeitenströmungen. Mit diesen beispielhaft genannten Aktivitäten, die im Rahmen des 10. Seminars Kleinwasserkraftanlagen an der Universität Stuttgart behandelt wurden und die in der Oktober-Ausgabe der Fachzeitschrift WasserWirtschaft wiedergegeben werden, verbessern wir nachhaltig die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien und sichern die Zukunft unserer nachfolgenden Generationen.

Dieser Beitrag ist in der Ausgabe Oktober 2015 unter dem Titel "Wasserkraft sichert die Zukunft unserer nachfolgenden Generationen" der Fachzeitschrift WasserWirtschaft erschienen.