Kraftwerke zur Energieerzeugung – Wasserkraft

Kraftwerke zur Energieerzeugung

Power-Anlagen zur Erzeugung von Energie: Die Nachfrage nach elektrischem Strom in großen Mengen erfordert sofort die Existenz von Stromerzeugern, die Primärenergie in elektrische Energie umwandeln. Diese Einrichtungen, die als Kraftwerke bezeichnet werden, bestehen aus einer Reihe von Maschinen und Anlagen, die zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden.

Produktion, Transport und Energieverbrauch

Produktions-, Transport- und Energieverbrauch: Das Hauptelement von Kraftwerken ist in der Regel der elektrische Generator (Lichtmaschine), der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Um Strom aus Kraftwerken zum Verbraucher zu bringen, nutzt man das Übertragungsnetz: elektrische Leitungen, bestehend aus Transport- und Verteilungsleitungen, sowie Umspannwerke. Der größte Nachteil der Stromerzeugung besteht darin, dass Elektrizität im großen Maßstab nicht gespeichert werden kann; wird sie nicht benötigt, geht sie verloren. Deshalb müssen wir Erzeugung und Verbrauch regeln und anpassen.

Anlagetypen

Typen von Anlagen: Die auf dem Netz erbrachte Leistung wird in verschiedene Arten eingeteilt:

Grundlastkraftwerke

Zentral- bzw. Grundlast: Diese Anlagen sollen eine kontinuierliche Stromversorgung sicherstellen. Sie sind in der Regel von hoher Leistungsdichte, z. B. Kernkraftwerke, große thermische Kraftwerke und große Wasserkraftwerke.

Spitzenlastkraftwerke

Spitzenlast: Diese Kraftwerke dienen dazu, den Energiebedarf zu Spitzenzeiten zu decken. Sie arbeiten parallel zu den Grundlastanlagen und werden je nach Bedarf zugeschaltet.

Reservekraftwerke

Gangreserve: Diese Anlagen sind ganz oder teilweise Ersatz für die Erzeugung aus einer zentralen Anlage und werden im Falle einer Panne oder für Reparaturen bereitgehalten.

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicher: Bei Pumpspeicherkraftwerken wird überschüssige Energie genutzt, um Wasser in ein oberes Speicherbecken zu pumpen (Ladevorgang). Zur Spitzenbedarfszeit lässt man das Wasser wieder ab und gewinnt so Energie zurück, die in das Netz eingespeist wird.

Wasserkraftwerke

Kraftwerke: Diese Kraftwerke basieren auf der Nutzung der Energie von Flüssen, die Wasser transportieren, um es in Strom umzuwandeln. Dazu werden Turbinen verwendet, die mit Generatoren gekoppelt sind.

Energieumwandlungen

Energie-Transformationen: In dieser Art von Kraftwerken erfolgen folgende Umwandlungen: potenzielle Energie (Stausee) → kinetische Energie (Leitungen/Rohr) → kinetische Energie der Drehung (Turbine) → elektrische Energie (Generator) → Nutzung.

Arten von Wasserkraftwerken

Es gibt zwei Grundtypen:

Laufwasserkraftwerke

Wasser-Standorte (Laufwasser): Sie werden an Orten errichtet, wo die Strömung des Wassers direkt zur Turbinenantriebsleistung genutzt werden kann. Diese Anlagen haben meist eine geringe Leistung, da die Durchflussmenge des Flusses nicht regulierbar ist und sehr jahreszeitlich schwanken kann.

Speicherkraftwerke

Speicheranlagen: Hier sammelt sich das Wasser in einem künstlich angelegten See oder Reservoir und kann abhängig vom Bedarf zur Stromerzeugung verwendet werden. Die Geländegestaltung und Orographie bestimmen die konstruktiven Merkmale der Hydraulik. Es gibt zwei typische Ausführungen:

Kraftwerk mit Umleitung

Central-Überweisung (Umleitung): Dabei wird der Strom durch einen kleinen Damm abgelenkt und in einem Kanal mit geringem Gefälle geleitet. Die Differenz zwischen dem Wasserspiegel des Bypass-Kanals und dem Fluss steigt abhängig von der Länge des Kanals. An geeigneter Stelle wird eine kleine Kammer gebaut, die als Druckzwischenbehälter (Ladetank) dient, und eine Druckleitung führt das Wasser zur weiter unten liegenden Turbine. Der Auslauf der Turbine führt über ein Rohr oder einen Entlastungskanal zurück in den Fluss stromabwärts.

Stau- bzw. Akkumulationskraftwerk

Zentrale Akkumulation: In einem Flussabschnitt mit spürbarem Gefälle wird ein Staudamm errichtet, der den Durchfluss des Wassers behindert, wodurch ein Reservoir entsteht. Die gespeicherte Wassermenge besitzt potenzielle Energie, die abhängig von der Fallhöhe ist. Zur Nutzung wird das Wasser durch das Auslassbauwerk zu den Turbinen am Fuß des Staudamms geführt.

Komponenten eines Wasserkraftwerks

Komponenten eines Wasserkraftwerks: Die charakteristischen Elemente sind der Staudamm, die Wasserzuführung (Leitungen), das Maschinenhaus mit Turbinen und Generatoren sowie Transformatoren und Verteileranlagen.

Staudamm

Staudamm: Ein Staudamm ist in der Regel ein Bauwerk aus Beton oder Erde, das quer zum Flussbett angeordnet ist, um Wasser zurückzuhalten und ein künstliches Becken oder Reservoir zu bilden. Es gibt zwei Haupttypen:

Schwerkraftdamm

Schwerkraftdamm: Die Gewichtskraft des gespeicherten Wassers wird durch das Eigengewicht des Dammes gehalten. Der Querschnitt ist oft massig (dreieckig bzw. trapezförmig), und es wird eine große Menge Baustoff zum Bau benötigt. Varianten mit innenliegenden Hohlräumen oder speziellen Profilen ermöglichen Materialeinsparungen.

Bogendamm

Bogendamm (gebogene Form): Diese Bauart bildet einen bogenförmigen Querschnitt, der die seitlichen Kräfte in die Felswände des Flusses überträgt. Das Profil ist schlanker als das eines Schwerkraftdammes, sodass deutlich weniger Material für den Bau erforderlich ist.

Wasserzuführung und Tore

Die Leitungen des Wassers: Zur Versorgung der Turbinen gibt es am Staudamm Zulauftore, die einen regulierten Durchfluss ermöglichen. Diese sind durch Rechen (Trashracks) geschützt, die das Eindringen von Gegenständen wie Ästen oder Baumstämmen verhindern sollen. Viele Dämme haben auch die Funktion der Abregelung des Abflusses, weshalb Evakuierungsstrecken vorhanden sind, die ein Überlaufen ohne Durchleitung über die Turbinen ermöglichen. Überlaufbauwerke und Beruhigungsbecken sind so konstruiert, dass die durch fallendes Wasser gewonnene Energie gedämpft wird. Im unteren Bereich des Damms befinden sich oft Grundablässe (Bodendurchlässe), die die Entleerung des gesamten Reservoirs zum Beispiel für Wartungs- und Entwässerungsaufgaben ermöglichen.

Maschinenhaus

Der Maschinenraum: Das Maschinenhaus beinhaltet die zentralen Antriebsmaschinen, sogenannte Turbo-Generator-Gruppen (Turboalternatoren). Je nach Fallhöhe (Fall) und Wasserdurchfluss werden unterschiedliche Turbinentypen eingesetzt:

• Pelton-Turbinen: Bei großen Fallhöhen und vergleichsweise geringem Durchfluss.
• Francis-Turbinen: Für mittlere Fallhöhen und variablen Durchfluss.
• Kaplan-Turbinen: Für geringe Fallhöhen und große, veränderliche Durchsätze.

Die Anlagen verfügen häufig über mehrere Gruppen/Einheiten, die unabhängig voneinander betrieben werden können, um eine maximale Ausnutzung der verfügbaren Wassermenge zu gewährleisten.

Transformatoren und Verteilung

Transformatoren und Verteilanlagen: Die Spannung des von der Lichtmaschine (Generator) gelieferten elektrischen Stroms liegt oft bei oder unter 20 kV. Um die Spannung für die Übertragung über große Entfernungen zu erhöhen, werden Transformatoren verwendet; durch das Erhöhen der Spannung werden Übertragungsverluste reduziert. Der Verteilerbereich (Schaltanlage) verbindet die Anlage mit dem übergeordneten Netz. Der Transport erfolgt über Hochspannungsleitungen.