Wasserkraft und Solarenergie: Technologien und Nutzung

Wasserkraft

Wasserkraft ist die Energie, die mit Wasser verbunden ist, wenn es sich durch einen Kanal bewegt (kinetische Energie) oder wenn es in einer bestimmten Höhe gespeichert wird (potenzielle Energie). Wenn Wasser abgelassen wird, wandelt sich die potenzielle Energie in kinetische Energie (Geschwindigkeit) um, die für verschiedene Zwecke genutzt werden kann. Es ist eine erneuerbare Energiequelle (keine alternative Energiequelle).

Es gibt zwei wichtige historische Anwendungen der Wasserkraft:

• Von etwa 100 v. Chr. bis fast zum Ende des 19. Jahrhunderts wurde Wasserkraft hauptsächlich in mechanische Energie umgewandelt, die konkrete Anwendungen in Mühlen, Eisenhütten, Schmieden, Textilfabriken usw. fand.
• Ab dem frühen 20. Jahrhundert wurde sie auch zur Stromerzeugung genutzt. Die erste hydraulische Anlage für diese Anwendung wurde 1882 in den Vereinigten Staaten gebaut, um 250 elektrische Lampen (erfunden von Thomas A. Edison) zu versorgen.

Heute wird praktisch die gesamte Wasserkraft zur Stromerzeugung genutzt.

Bestandteile eines Wasserkraftwerks

Stausee: Hier wird das Wasser angesammelt. Er hat eine dicke Wand aus Beton, die Staumauer, deren Aufgabe es ist, das Wasser zurückzuhalten. Es gibt zwei Grundtypen von Staumauern:

• Gewichtsstaumauer: Wirkt durch ihr Eigengewicht der Kraft des Wassers entgegen. Sie ist in der Regel gerade oder leicht konkav (auf der Wasserseite). Ihr Querschnitt ist dreieckig und bildet einen rechten Winkel zwischen der Basis und der Wasserseite. Ihre Konstruktion ist teuer (siehe Abb. 6.2).
• Bogenstaumauer: Leitet den Wasserdruck hauptsächlich auf die Berghänge ab. Sie ist in der Regel konvex gebaut. Je mehr Wasser drückt, desto stärker verkeilt sich die Mauer in den Berghängen. Diese Bauweise reduziert die benötigte Materialmenge, wodurch die Konstruktion bei gleicher Leistung günstiger ist als bei einer Gewichtsstaumauer (siehe Abb. 6.3).

Wasserleitungen: Es gibt zwei Arten von Kanälen:

• Überläufe/Schleusen (Abb. 6.6): Ihre Aufgabe ist es, Wasser aus dem Stausee abzulassen, ohne es durch den Maschinenraum (Turbinen) zu leiten. Sie werden genutzt, wenn Wasser für Bewässerungszwecke oder aus Sicherheitsgründen (z. B. bei übermäßigem Regen) abgelassen werden muss.
• Druckleitungen (Abb. 6.4): Sie leiten das Wasser vom Stausee zu den Turbinen. Wichtige Bestandteile sind:
  1. Die Wasserfassung: Sie befindet sich in der Regel auf etwa 1/3 der Höhe der Staumauer, damit Schlamm, Steine und anderes Material, das sich am Grund absetzt, nicht in die Turbinen gesaugt wird und diese beschädigen könnte. Sie ist meist mit einem Rechen versehen, um Äste, Baumstämme usw. fernzuhalten.
  2. Das Wasserschloss: Dies ist ein kleiner Tank, der mit den Druckleitungen verbunden ist und als Ausgleichsbecken dient. Es verhindert Druckstöße (Druckschwankungen), die bei der Regulierung des Wasserflusses am Auslass entstehen können.

Maschinenhaus: Im Maschinenhaus (Abb. 6.5) befinden sich zwei sehr wichtige Elemente:

• Turbinen: Ihre Aufgabe ist es, die kinetische Energie des Wassers in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. (Auf der vorhergehenden Seite befindet sich eine Zusammenfassung der Entwicklung von Wasserrädern und Turbinen). Heute sind die am häufigsten verwendeten Turbinen die Kaplan-Turbine (mit sehr hohem Wirkungsgrad) und die verbesserte Pelton-Turbine.

Merkmale der Kaplan-Turbine

• Es handelt sich um eine Turbine mit vertikaler Achse und einem propellerförmigen Laufrad mit verstellbaren Schaufeln (in der Regel 4 oder 5), das in einer zylindrischen Kammer eingeschlossen ist, deren Oberlauf von Wasser durchströmt wird.
• Wird bei Fallhöhen von weniger als 25 m eingesetzt.
• Ihr Wirkungsgrad liegt typischerweise zwischen 93 % und 95 %.
• Sie ist eine der heute am häufigsten verwendeten Turbinen.

Merkmale der Pelton-Turbine

• Es handelt sich um ein hochentwickeltes Wasserrad, das am Umfang eines Rades eine Reihe von becherförmigen Schaufeln ('Löffel') trägt, die dem Aufprall eines sehr starken Wasserstrahls standhalten.
• Die Schaufeln nehmen das Wasser aus einer Richtung auf und lenken es fast in die entgegengesetzte Richtung um (ca. 150°). Bei sehr großen Anlagen kann der Schub bis zu 50 Tonnen betragen.
• Wird bei großen Fallhöhen, aber geringeren Wassermengen eingesetzt. Ihr Wirkungsgrad kann bis zu 90 % erreichen.
• Dreht langsamer als die Kaplan-Turbine (300 bis 1800 U/min). Um die Leistung zu erhöhen, kann die Anzahl der Düsen erhöht werden.

• Generatoren: Bei Pelton-Turbinen ist der Generator meist direkt mit der Turbinenwelle verbunden, da die Drehzahl durch die Regulierung des Wasserstrahls gesteuert werden kann. Kaplan-Turbinen drehen sehr schnell, weshalb oft ein Getriebe (Drehzahlminderer) zwischen Turbine und Generator erforderlich ist.
• Transformatoren und Übertragungsleitungen: Die Transformatoren erhöhen die Ausgangsspannung des Generators (typischerweise ca. 20.000 V) auf bis zu 400.000 V. Dies ist die übliche Spannung für den Stromtransport über weite Strecken. Wenn die Anlage an das nationale Stromnetz angeschlossen ist, muss sie mit dem Netz synchronisiert werden, damit ihre Einspeisung mit den anderen Erzeugern zusammenpasst.

Anlagentypen

• Kleinanlagen: Leistung unter 10 MW. Historisch bildeten sie die Grundlage der Stromversorgung für kleine Städte und Unternehmen in Flussnähe.
• Großanlagen oder Talsperren: Leistung über 10 MW. Sie befinden sich in den Einzugsgebieten von Flüssen mit großen Wassermengen.
• Es gibt zwei spezielle Arten von Anlagen: reine Pumpspeicherkraftwerke und gemischte Pumpspeicherkraftwerke.
  • Reine Pumpspeicherkraftwerke: Sie verfügen über zwei Speicherbecken (das untere ist oft natürlich und kleiner). Während Zeiten hohen Strombedarfs (Spitzenlast) funktionieren sie wie normale Wasserkraftwerke: Wasser fließt vom oberen Speicherbecken durch Rohre zur Turbine, treibt diese an und erzeugt Strom. Wenn der Energiebedarf gering ist (Schwachlastzeit), wird überschüssiger Strom (aus dieser Anlage oder aus anderen Kraftwerken, z. B. thermischen oder Kernkraftwerken) genutzt, um Wasser vom unteren Becken zurück in das obere Speicherbecken zu pumpen. Das Wasser muss zuvor hochgepumpt werden, da es sonst nicht zur Stromerzeugung zur Verfügung stünde. Das obere Becken dient also als Energiespeicher.
  • Gemischte Pumpspeicherkraftwerke: Sie können Energie sowohl mit als auch ohne vorheriges Pumpen erzeugen. Es ist nicht zwingend notwendig, Wasser in das obere Speicherbecken zu pumpen, um Strom zu erzeugen, da dieses Becken auch durch einen natürlichen Zufluss (Fluss) gespeist wird. Nur wenn Stromüberschuss vorhanden ist und das obere Becken wenig Wasser führt (z. B. weil der Zufluss gering ist), kann Wasser vom unteren Becken in das obere gepumpt werden.

Wasserkraft und Umwelt

• Dieses System der Energieerzeugung ist eines der saubersten, da es weder Rauch noch Abfälle in die Atmosphäre emittiert.
• Darüber hinaus können Staudämme den Abfluss des Flusses regulieren, Überschwemmungen verhindern und somit Personen- und Sachschäden bei starken oder sintflutartigen Regenfällen vermeiden. Sie helfen auch, Wasser zu speichern, das später für den menschlichen Verbrauch und die Bewässerung genutzt werden kann.
• Die Hauptprobleme bestehen darin, dass beim Bau von Damm und Stausee oft fruchtbare Landstriche oder sogar ganze Dörfer überflutet werden. Zudem wird die lokale Flora und Fauna beeinträchtigt (Stauseen können manchmal bis zu 400 km lang sein).

Solarenergie

Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle der Erde. Durch Kernreaktionen in ihrem Inneren wird Energie freigesetzt, von der ein großer Teil die Erde in Form von elektromagnetischen Wellen erreicht.

Nutzung der Sonnenenergie

Die Solarenergie hat zwei wichtige Anwendungsbereiche: die Umwandlung in elektrische Energie und die Umwandlung in Wärmeenergie. (Die beigefügte Tabelle zeigt die Vorrichtungen zur Erfüllung dieser Aufgaben.)

Thermische Nutzung: Flachkollektoren

Die Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme basiert darauf, dass jeder Körper, der der Sonne ausgesetzt ist, einen Teil der auftreffenden Sonnenstrahlen absorbiert. Je nach Farbe absorbiert er mehr oder weniger Strahlung.

Theoretisch würde ein mattschwarzer Körper alle Strahlung absorbieren, während ein glänzend weißer Körper sie vollständig reflektieren würde (Spiegel gehören zu den Materialien, die Strahlung am besten reflektieren). Dies ist nicht ganz exakt, kann aber für praktische Zwecke als gültig angesehen werden.

Die Geräte zur Nutzung der thermischen Energie der Sonne werden als Sonnenkollektoren bezeichnet.

Ein Sonnenkollektor ist ein Kasten, meist aus Metall, in dessen Innerem sich eine Reihe von schwarz lackierten Rohren befindet, durch die Wasser zirkuliert. Das Innere des Kollektors ist ebenfalls mattschwarz lackiert, um möglichst viel Sonnenlicht zu absorbieren.

An der Oberseite befindet sich eine Glasabdeckung, die die Sonnenstrahlen durchlässt und als Isolierung nach außen dient. Der Kollektor wird zur Sonne ausgerichtet, um maximales Sonnenlicht einzufangen.

Wir unterscheiden drei Arten von Kollektoren:

• Bis 35 °C: Dies entspricht dem einfachsten Kollektormodell, da die Rohre keine Isolierung hätten (d. h. ohne Glasabdeckung) und somit in direktem Kontakt mit der Außenluft stünden. Die häufigsten Anwendungen sind: Erwärmung von Schwimmbädern, Gewächshausheizung, Trocknungsanlagen, Außenduschen usw.
• Bis 60 °C: In diesem Fall hat der Kollektor eine Glasabdeckung und ist innen thermisch mit Glasfaser oder Polyurethan isoliert. Der Innenraum und die Rohre sind mattschwarz lackiert. Sie werden zur Erzeugung von Warmwasser für Heizungen, industrielle Anwendungen usw. eingesetzt.
• Bis 120 °C (Vakuumröhrenkollektoren): Der Kollektor nutzt ein Vakuum zur Isolierung (z. B. in Vakuumröhren). Daher dürfen sie zur Wahrung der Dichtheit nicht geöffnet werden. Sie werden für industrielle Anwendungen eingesetzt, bei denen Wasser mit hoher Temperatur benötigt wird.

Thermische Nutzung: Passive Systeme

Es gibt viele Anwendungen für dieses System. Tatsächlich nutzen Menschen und Lebewesen dies ständig, um sich warm zu halten. Als Beispiele für die industrielle Nutzung seien genannt:

• Gewächshäuser: Kunststoffe lassen die einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung durch. Beim Auftreffen auf den Boden wird die Strahlung in längerwellige Wärmestrahlung umgewandelt, die vom Kunststoff schlechter durchgelassen und teilweise reflektiert wird. Das Ergebnis ist ein Temperaturanstieg im Inneren (Treibhauseffekt).
• Meerwasserentsalzung (solare Destillation): Besteht aus einem abgedeckten, nach außen isolierten Behälter. Die Abdeckung (oft Glas) ist geneigt (z. B. ca. 45° zur Horizontalen). Im Inneren befindet sich Salzwasser, oft über einer absorbierenden Oberfläche. Wenn das Meerwasser durch die Sonneneinstrahlung verdunstet, bleibt das Salz am Boden zurück. Der Wasserdampf kondensiert an der kühleren Innenseite der Abdeckung und tropft als Süßwasser in eine Sammelrinne oder einen separaten Behälter.

Thermische Nutzung: Solarturmkraftwerke

Besteht aus einem Feld von Heliostaten (bewegliche Spiegel, 1), die das Sonnenlicht auf einen Absorber (Receiver, 2) an der Spitze eines Turms (3) konzentrieren. Die konzentrierte Wärmeenergie wird von einer Flüssigkeit im Absorber aufgenommen und zu einem Dampferzeuger (5) transportiert. Dort wird die Wärme an einen zweiten Kreislauf abgegeben, in dem Wasser verdampft wird. Der Dampf treibt eine Turbinen-Generator-Einheit (6) an, die Strom erzeugt. Anschließend wird der Dampf in einem Kondensator (oft luftgekühlt, 7) wieder zu Wasser kondensiert, um den Kreislauf zu schließen.

Thermische Nutzung: Parabolrinnenkraftwerke

Parabolisch geformte Spiegel konzentrieren das Sonnenlicht auf ein Absorberrohr, durch das eine Wärmeträgerflüssigkeit (oft Thermoöl) fließt. Dieses System kann Temperaturen von bis zu ca. 400 °C erreichen.

Die erhitzte Flüssigkeit (Öl) überträgt die Wärme in einem Wärmetauscher an einen Wasserkreislauf (Dampferzeuger). Mit dieser Wärme wird Wasser verdampft. Der Dampf treibt eine Turbine an. Der mit der Turbine gekoppelte Generator erzeugt elektrischen Strom.

Thermische Nutzung: Solaröfen

Dient dazu, Sonnenstrahlen, die auf eine große Fläche treffen, auf einen kleinen Bereich oder Punkt zu konzentrieren. Es wird ein großer Parabolspiegel oder ein Feld von Spiegeln verwendet, die das Licht auf einen Brennpunkt bündeln (siehe Abb. 6.15). Es können sehr hohe Temperaturen erreicht werden (bis zu 4000 °C). Sie werden hauptsächlich in der Forschung eingesetzt, z. B. zur Untersuchung der Schmelzpunkte von Materialien. Eine kommerzielle Nutzung ist derzeit aufgrund der hohen Kosten kaum verbreitet. Der größte Solarofen der Welt befindet sich in Odeillo (Frankreich) und hat eine Leistung von etwa einem Megawatt (thermisch).

Photovoltaische Nutzung: Solarmodule

Jedes Photovoltaik-Modul (oder Solarpanel) besteht aus einer Reihe von Solarzellen (oft z. B. 36, 60 oder 72), die meist aus Silizium gefertigt sind. Wenn Sonnenlicht auf die Zellen trifft, erzeugt jede Zelle eine kleine elektrische Spannung (ca. 0,5 - 0,6 Volt) zwischen ihren Anschlüssen. Die Zellen werden in Reihe geschaltet, um eine höhere Gesamtspannung zu erreichen (z. B. typische Modulspannungen von 30-50 V bei Nennleistung). Der Strom hängt von der Zellgröße und Einstrahlung ab. Der Wirkungsgrad dieser Module liegt heute typischerweise zwischen 15 % und über 22 %, abhängig von der Technologie, der Ausrichtung zur Sonne und der Betriebstemperatur. Der Wirkungsgrad nimmt mit steigender Temperatur ab.