mini|Schema eines Wasserkraftwerkes ausgestattet mit einer Francis-Turbine Ein Wasserkraftwerk oder auch Wasserkraftanlage ist ein Kraftwerk, das die potentielle Energie des Wassers in mechanische Energie bzw. elektrische Energie umwandelt. Damit wird die Wasserkraft für den Menschen nutzbar gemacht. Dies kann an Fließgewässern oder Stauseen bzw. Talsperren erfolgen oder durch Strömungs- und Gezeitenkraftwerke auf dem Meer. Zur Umwandlung werden heutzutage meist Turbinen eingesetzt.
Funktionsweise mini|Wasserturbine mit Generator Bei den meisten Wasserkraftwerken wird durch eine Stauanlage (auch Staumauer oder Talsperre) Wasser im Stauraum auf einem höheren Niveau zurückgehalten. Die Bewegungsenergie des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, welches wiederum direkt oder über ein Getriebe einen elektrischen Generator antreibt, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Zur Einspeisung in ein Mittel- oder Hochspannungsnetz ist vielen Wasserkraftwerken auch ein Umspannwerk angegliedert.
Grundsätzlich wird zwischen Laufwasserkraftwerken und Speicherkraftwerken unterschieden.
Laufwasserkraftwerke mini|Laufwasserkraftwerk in Pullach (Auslaufseite)
Laufwasserkraftwerke können keinen oder nur sehr begrenzten Einfluss auf das Volumen an aufgestautem Wasser nehmen und dienen deshalb der Deckung der Grundlast in einem Stromnetz. Meist wird dazu die durch ein Wehr gebildete Staustufe in einem fließenden Gewässer genutzt.
Speicherkraftwerke mini|Pumpspeicherwerk Markersbach - Oberbecken
Speicherkraftwerke besitzen einen Energiespeicher in Form von Seen oder Teichen, deren Pegel vom Kraftwerksbetreiber gesteuert werden kann. Oft handelt es sich dabei um Stauseen, die mittels Staudämmen oder -mauern künstlich für die Energiegewinnung angelegt wurden, seltener werden hierfür aber auch natürliche Seen verwendet. Die Leistung der Kraftwerke lässt sich sehr gut dem effektiven Bedarf im Stromnetz anpassen, wenn kein Bedarf besteht, kann die Anlage auch vorübergehend stillgelegt werden. Speicherkraftwerke dienen deshalb zur Deckung der Spitzenlast in einem Stromnetz. Die Leistung lässt sich innerhalb von Minuten hochfahren und kann bei großen Anlagen die Leistung eines Kernkraftwerks erreichen.
Je nach Größe des Speichers wird zwischen kurzzeitigen Tagesspeicher und Wochenspeicher oder langzeitigen Jahresspeicher unterschieden. Jahresspeicher dienen meist dem Sammeln von Wasser aus der Schneeschmelze, das über die Wintermonate genutzt wird, wenn die Laufwasserkraftwerke auf Grund der geringeren Wasserführung der Flüsse weniger Strom produzieren können.
In der Schweiz zählen nur Kraftwerke mit einem Jahresspeicher, der mindestens ein Viertel der Winterproduktion decken kann, zu den Speicherkraftwerken. Die übrigen Speicherkraftwerke gehören zu den Laufwasserkraftwerken.
Pumpspeicherkraftwerke nutzen zu Schwachlastzeiten überschüssige Energie im Stromnetz um zusätzliches Wasser in das Speicherbecken zu pumpen. Bei Spitzenlast kann es wieder aus dem Speicher abgerufen werden und zur Stromerzeugung genutzt werden. In der Schweiz werden Pumpspeicherwerke, welche mehrheitlich zuvor hochgepumptes Wasser zur Stromerzeugung verwendet, als Umwälzwerke bezeichnet. Bei diesen Kraftwerken hat der obere Speicher im Vergleich zur hochgepumpten Wassermenge nur einen geringen natürlichen Zufluss. Zu den Umwälzwerken gehören die Zentrale Limmern der Kraftwerke Linth-Limmern oder das Kraftwerk Nant de Drance. Beide Anlagen haben die Leistung eines mittleren Kernkraftwerkes.
Leistung Die Leistung P ist abhängig vom Wasserdurchfluss Q (in m3/s), der Fallhöhe h (in m), der Erdbeschleunigung g (≈ 9,81 m/s²) und der Dichte von Wasser ρ (≈ 1000 kg/m3):
Der gesamte Wirkungsgrad η ergibt sich aus dem Produkt der einzelnen Wirkungsgrade des Zulaufs, der Wasserturbine, des Getriebes, des elektrischen Generators und des Maschinentransformators.
Zur Überschlagsrechnung werden die näherungsweise konstanten Faktoren wie die Erdbeschleunigung g, die Dichte ρ von Wasser und der gesamte Wirkungsgrad in einer Konstanten zusammengefasst. Bei einem Gesamtwirkungsgrad von η = 85 % ergibt sich:
Mit dieser Konstanten lässt sich die überschlagsmäßige Berechnung der Leistung ausdrücken als:
Beispiel: Durch die Turbine eines Laufwasserkraftwerkes mit der Stauhöhe 6 m strömen pro Sekunde 20 m3 Wasser. Damit ergibt sich eine Leistung von P = 20 m3/s · 6 m · 8,5 kN/m3 = 1020 kW.
Die maximale Leistung eines Wasserkraftwerks wird erbracht, wenn sich der Ausbaudurchfluss Qa bei optimalem Wirkungsgrad einstellt.
Die installierten Leistungen von Wasserkraftwerken weltweit liegen zwischen wenigen kW und mehreren GW. Zugleich erzielen sie verglichen mit anderen Stromgewinnungsarten einen sehr hohen Wirkungsgrad. Ihre Turbinen und Generatoren können bis zu 90 % der nutzbaren Wasserkraft in elektrischen Strom umwandeln (water to wire).Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg, Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. 39, 2014, S. 748–764, hier S. 751 f., doi:10.1016/j.rser.2014.07.113.
Ausbauleistung
Als Ausbauleistung Pa wird die maximale elektrische Leistung eines Kraftwerks bezeichnet, die sich beim Ausbauzufluss Qa ergibt. Dieser Zufluss stellt sich jedoch bedingt durch natürliche Abflussschwankungen nicht permanent ein. Im Durchschnitt wird der Ausbauzufluss in Mitteleuropa an etwa 30 bis 60 Tagen im Jahr erreicht.
Ausbaugrad Der Ausbaugrad ist für Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke unterschiedlich definiert.
Ausbaugrad für Laufwasserkraftwerke mini|Laufwasserkraftwerk von 1892
Unter Ausbaugrad fa wird bei Laufwasserkraftwerken das Verhältnis zwischen Ausbaudurchfluss Qa und Mittelwasserabfluss MQ verstanden.
(ohne Einheit) fa Ausbaugrad (einheitenlos) Qa Ausbaudurchfluss (in m3/s) MQ Mittelwasserabfluss (in m3/s)
Ausbaugrad für Speicherkraftwerke mini|Speicherkraftwerk Walchensee Im Gegensatz zu oben genanntem Anlagentyp ergibt sich der Ausbaugrad fa bei Speicherkraftwerken aus dem Verhältnis von Speichervolumen VSP zu Jahreswasserfracht der Zuflüsse VZU.
(ohne Einheit) VSP Speichervolumen (in m3) VZU Jahreswasserfracht der Zuflüsse (in m3)
Die Wahl des Ausbaugrades erfolgt unter den Gesichtspunkten Abflusscharakteristik des Gewässers (Abfluss gleichmäßig oder stark schwankend), Einsatzart der Wasserkraftanlage (Einzelversorgung, Grund-, Mittel-, Spitzenlastkraftwerk), von weiteren Anforderungen an die Wassernutzung (Schifffahrt, Mindestwasser) sowie dem Kosten-Nutzen-Faktor. Für Grundlastkraftwerke mit hoher Abgabesicherheit bei verhältnismäßig niedriger Investition wird ein geringer Ausbaugrad gewählt (Qa,I). Für Spitzenlastkraftwerke hingegen bietet sich die Wahl eines hohen Ausbaugrades (Qa,II) an, ebenso ergeben sich höhere Investitionsaufwendungen.
Leistungsplan Der Leistungsplan gibt Auskunft über die mittlere jährliche Energieausbeute einer Wasserkraftanlage und ist daher für energiewirtschaftliche Betrachtungen von großer Bedeutung. Zur Ermittlung der Jahresproduktion eines Kraftwerkes muss die mittlere Überschreitungsdauerlinie des Zuflusses bekannt sein. Weiter wird die Dauerlinie des Unterwasserstandes sowie des Oberwasserstandes, aus denen sich die Fallhöhendauerlinie ermitteln lässt, benötigt. Meist werden Dauerlinien auf Basis von Tagesmittelwerten verwendet. Zur Absicherung der Aussage sollen jedoch mehrere Jahresdauerlinien in die Auswertungen einfließen und ein Mittelwert gebildet werden.
Durch Multiplikation von Überschreitungsdauerlinie des Zuflusses und Fallhöhendauerlinie ergibt sich die Leistungsdauerlinie für ein Jahr und aus deren Integration über die Zeit die Jahresarbeit der Anlage.
Typen von Wasserkraftwerken Einteilung nach Nutzgefälle mini|hochkant|Ein typisches Wasserkraftwerk, hier an der Ruhr Das Nutzgefälle oder die Fallhöhe ist der Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel oberhalb der Turbine (Oberwasser) und dem Wasserspiegel hinter der Turbine (Unterwasser).
Niederdruckkraftwerke Als Niederdruckkraftwerke werden Wasserkraftanlagen bezeichnet, bei denen die Fallhöhe circa 15 m beträgt. Im Gegensatz zu Mitteldruck- oder Hochdruckkraftwerken befinden sich diese im Mittellauf eines Flusses und weisen damit wesentlich höhere Abflüsse auf.
Die Anzahl der verbauten Maschinensätze wird nach Durchfluss, Abflusscharakteristik, Einzelbetrieb oder Durchlaufspeicherung in einer Kraftwerkskette bestimmt. Weitere Nutzungsziele neben der Erzeugung elektrischer Energie können beispielsweise eine Verbesserung des Hochwasserschutzes oder eine Eindämmung einer vorhandenen Sohlerosion sein.
Insbesondere bei Niederdruckanlagen erfolgt oftmals die Anordnung eines Saugrohres um eine Erhöhung des Wirkungsgrades zu erreichen.
Eckdaten Fallhöhe: 15 m Verwendung für: Grundlast Turbinenarten: Kaplan-Turbine, Rohrturbine, Durchströmturbine, Straflo-Turbine Bauarten: Flusskraftwerke, Ausleitungskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerk
Mitteldruckkraftwerke mini|Grand-Coulee-Talsperre in den Vereinigten Staaten Bei Mitteldruckkraftwerken handelt es sich um Wasserkraftanlagen mit einer Fallhöhe zwischen 25 m und 400 m, wobei sowohl der Übergang zwischen Niederdruck- und Mitteldruckanlagen als auch zwischen Mitteldruck- und Hochdruckanlagen als fließend bezeichnet werden kann. Die Realisierung dieses Kraftwerkstyps erfolgt meist im Zusammenhang mit niedrigen Talsperren als Speicherkraftwerk oder in Kombination mit höheren Wehranlagen an Flusskraftwerken. Charakteristisch für diese beiden Arten von Wasserkraftanlagen ist, dass der typische mittlere Wasserdurchsatz nur durch eine Speicherbewirtschaftung zu erreichen ist. Abgesehen von den für die Energiegewinnung notwendigen Belangen (Ausgleich jahreszeitlich unterschiedlicher Abflüsse, Pumpspeicherung etc.) sind meist auch andere Ziele (Trinkwasserversorgung, Hochwasserschutz, Erholungswirkung etc.) zu berücksichtigen.
Folgende Einsatzzwecke lassen sich unterscheiden Einzweckanlagen Anlagen die einen vorgegebenen Strombedarf decken Anlagen zur Vergleichmäßigung des Abflusses eines Fließgewässers Anlagen zur Spitzenstromerzeugung Mehrzweckanlagen, die primär der Energieerzeugung dienen, gleichzeitig werden aber auch andere Anforderungen erfüllt (z. B. Hochwasserschutz, Bewässerung, Trinkwasserversorgung). Mehrzweckanlagen, die hauptsächlich anderen Zielen als der Energieerzeugung dienen. Insbesondere fallen in diesen Bereich Anlagen zur Stauhaltung schiffbarer Flüsse. Charakteristisch für Mitteldruckanlagen ist neben der Fallhöhe eine dreifache Gliederung des Maschinenhauses Einlauf mit Rechen und Turbinenschütz verlängerter Einlaufschlauch bzw. Triebwasserleitung Einlaufspirale, Wasserturbine, Saugschlauch. Talsperrenkraftwerke, welche in direkter Verbindung von Erddämmen oder Betonstaumauern errichtet werden, sind meist dicht an der Luftseite situiert. Das Krafthaus liegt direkt am Damm- oder Mauerfuß und erlaubt kurze und hydraulisch günstige Druckrohrleitungen. Auch eine Anordnung weiter flussabwärts, sowie bei besonders beengten Verhältnissen in Kavernen (eher selten bei Mitteldruckanlagen) ist möglich.
Eckdaten Fallhöhe: 25–400 m Verwendung für: Grundlast, Mittellast Turbinenarten: Francis-Turbine, Kaplan-Turbine (selten) Bauarten: Flusskraftwerke, Speicherkraftwerke
Hochdruckkraftwerke mini|Speicherkraftwerk Maltatal Von Hochdruckanlagen spricht man, wenn die Nutzfallhöhe mehr als 250 m beträgt. Um ein solch großes Gefälle realisieren zu können, werden solche Anlagen im Mittel- und Hochgebirge errichtet. Zur Stauhaltung werden Talsperren, Staumauern oder ein Staudamm verwendet, wodurch große Mengen Wasser über ein Jahr gespeichert werden können, welche mittels Druckstollen und Druckschächten zum Kraftwerk, das sich zumeist im Tal befindet, transportiert werden.