Wasserkraftwerke: Typen, Komponenten, Betrieb

Kraftwerke zur Energieerzeugung

Die Notwendigkeit, große Mengen an elektrischer Energie zu erzeugen, erfordert primäre Energiequellen, die in Strom umgewandelt werden können. Kraftwerke nutzen verschiedene Maschinen und Anlagen, um Elektrizität zu erzeugen.

Typen von Kraftwerken

Je nach der Art und Weise, wie sie den Gesamtverbrauch des Netzes decken, werden Kraftwerke wie folgt klassifiziert:

• Grundlastkraftwerke (oder Hauptkraftwerke): Sie liefern kontinuierlich Strom und haben eine hohe Leistungsdichte. Dazu gehören in der Regel große Wärme-, Kern- und Wasserkraftwerke.
• Spitzenlastkraftwerke: Sie sind dafür ausgelegt, die Nachfrage in Spitzenzeiten zu decken.
• Reservekraftwerke: Sie dienen dazu, die gesamte oder einen Teil der Grundlastproduktion im Falle eines Ausfalls oder einer Reparatur zu ersetzen.
• Pumpspeicherkraftwerke: Diese Wasserkraftwerke nutzen die Talstunden, um Wasser in ein oberes Reservoir zu pumpen, und liefern in Spitzenzeiten Energie an das Netz.

Wasserkraftwerke

Wasserkraftwerke nutzen die Energie von Flüssen, um sie mithilfe von Turbinen und Generatoren in Strom umzuwandeln. Die Energieumwandlung erfolgt in folgenden Schritten:

1. Potenzielle Energie
2. Kinetische Energie
3. Kinetische Rotationsenergie
4. Elektrische Energie

Es gibt zwei Haupttypen von Wasserkraftwerken:

1. Laufwasserkraftwerke: Sie nutzen die verfügbare Wasserkraft direkt, um Turbinen anzutreiben.
2. Speicherkraftwerke: Sie stauen Wasser in einem künstlichen See oder Reservoir und nutzen es je nach Bedarf. Es gibt zwei Untertypen:
   • Umlenkung: Ein Teil des Flusses wird durch einen Kanal umgeleitet, um den Höhenunterschied zu vergrößern.
   • Akkumulation: Ein Damm staut den Fluss und erzeugt ein Reservoir. Die potenzielle Energie hängt von der Höhe des Wasserspiegels ab.

Komponenten eines Wasserkraftwerks

• Damm: Eine Struktur, meist aus Beton, die das Flussbett aufstaut, um einen künstlichen See oder ein Reservoir zu bilden.
  • Schwerkraftdamm: Widersteht dem Wasserdruck durch sein Eigengewicht.
  • Bogenstaumauer: Überträgt die Kräfte auf die Seitenwände, an denen sie verankert ist.
• Wasserführung: Dämme haben Tore, die einen Kanal regulieren und durch Gitter geschützt sind, um zu verhindern, dass Gegenstände wie Äste und Stämme die Turbinen beschädigen.
• Maschinenhaus: Enthält die Antriebsmaschinen, die sogenannten Turbo-Generator-Gruppen. Je nach Fallhöhe und Durchfluss werden verschiedene Turbinentypen verwendet (Pelton, Francis, Kaplan).
• Transformatoren und Verteilerpark: Die Spannung des von der Lichtmaschine erzeugten Stroms (ca. 20 kV) wird mithilfe von Transformatoren für den Transport erhöht.

Betrieb eines Wasserkraftwerks

Das Wasser wird in einem Reservoir gestaut und erreicht ein erhöhtes Niveau. Es fließt durch eine Druckleitung zu den Turbinen im Maschinenhaus. Die potenzielle Energie des Wassers wird in kinetische Energie umgewandelt, wenn sich die Schleusen öffnen. Diese Energie treibt die Turbine an, die sich zu drehen beginnt und das Wasser über den Abflusskanal zurück in den Fluss leitet. Die Turbine ist mit einem Generator verbunden, der ein Magnetfeld erzeugt und so einen Wechselstrom hoher Intensität erzeugt. Die Spannung wird mithilfe von Transformatoren erhöht und über den Verteilerpark oder direkt über Leitungen transportiert.

Pumpspeicher- oder reversible Kraftwerke

Diese Anlagen dienen dazu, die Energieproduktion zu rationalisieren, indem sie überschüssige Energie in Talstunden verbrauchen und in Spitzenzeiten Energie liefern.

• Reine Pumpspeicherkraftwerke: Zur Stromerzeugung muss das Wasser zuvor in das obere Reservoir gepumpt werden.
• Gemischte Pumpspeicherkraftwerke: Sie können mit oder ohne Pumpen Strom erzeugen, da das obere Reservoir auch von einem Fluss gespeist wird.

Mini-Wasserkraftwerke

Kraftwerke mit einer Leistung zwischen 250 und 5000 kW. Früher dienten sie der Stromversorgung kleiner Dörfer und Fabriken an Flüssen.