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In der Energieversorgung Deutschlands beträgt(1977)
der Anteil an:
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- fossile Energie: 93 %
- Kernenergie: 3 %
- Wasserenergie: 3%
- Windenergie: ca. 0,5 %
Wasserenergie
Im Grunde kommt jede Art von Energie von der Sonne. Die Sonneneinstrahlung hält den natürlichen Wasserkreislauf der Erde in Gang. Das Wasser verdunstet und fällt als Niederschlag wieder auf die Erde. All diese Energien sind unerschöpflich.
Aufgrund der Höhenunterschiede zwischen den einzelnen Landflächen und des Meeresspiegels, auf den Kontinenten, entsteht nutzbare potentielle Energie der Wassermenge auf.
Die potentielle Wasserenergie (E) hängt in erster Linie von der Fallhöhe und der menge des Wassers ab.
Um die "gespeicherte Energie" zu berechnen, gilt:
E = g * m * h
E=Wasserenergienergie ; m=Wassermenge (kg) ; h=Höhendifferenz (m) ; g=Erdbeschleunigung (Fallgeschwingigkeit=9,81 m/s)
Mit Hilfe dieser Formel lassen sich mechanische Kraftwerksleistungen theoretisch errechnen und mit elektrischen Kraftwerksleistungen vergleichen, um den Wirkungsgrad der Anlage zu bestimmen.
Potential
Die Weltweite Stromerzeugung beläuft sich auf nahezu 20 Mio. Gigawattjahren, wovon ca. 10 % Wasserenergie genutzt wurden. In Deutschland und Schweiz werden bereits 80 % in Europa 33 % der möglichen Wasserkraft genutzt. Dabei beträgt der Anteil der in Strom umgewandelt wird nur 4 %. In den letzten 5 Jahren wurde ein eine Steigungsrate von 5,4 % jährlichen Zuwachses beobachtet.
Wirkungsgrade
Die Wirkungsgrade der Stromerzeugung in Wasserkraftwerken sind sehr hoch, im Jahresdurchschnitt ca. 80 - 90 % .
Wirtschaftliche Betrachtungen
Die Investitionskosten pro kWh schwanken bei der Wasserkraft ganz erheblich und belaufen sich je nach Art und Standort des Kraftwerks auf 3000-18000 DM.
Der Preis liegt damit höher als bei fossil gefeuerten Wärme oder Kernkraftwerken(nur Baukosten). Aufgrund der extrem niedrigen Betriebskosten und der langen Lebensdauer ist die Stromerzeugung der Wasserkraftwerke jedoch wirtschaftlich. Die Erzeugungskosten liegen normaler weise zwischen 2 Pf (ältere, bereits abgeschriebene Anlagen) und 18 Pf pro kWh (neuere Anlagen).
Vom Wasserrad zur Turbine
Der Vorläufer unserer heutigen Turbinen waren
die Wasserräder. Die älteste Form war das
Stoßrad, das mit seinen Schaufeln horizontal in
den Fluß eintaucht. Hier wird ausschließlich die
Bewegungsenergie des Wassers genutzt.
Daraus abgeleitet ist das unterschlächtige Wasserrad bei dem zwischen Ein- und Austritt des Wassers eine leichte Höhendifferenz besteht und so neben der Bewegungsenergie auch die Höhen- bzw. Lageenergie des Wassers von der Bergseite her genutzt wird. Anders beim oberschlächtigen Wasserrad, das im Mittelalter entwickelt wurde: Hier fließt das Wasser von oben auf die muldenförmigen Schaufeln, so daß das Rad hauptsächlich durch das Gewicht des Wassers angetrieben wird. Eine Mischform mit vorwiegender Nutzung der Lageenergie stellt das mittelschlächtige Wasserrad dar.
Voraussetzung für die Nutzung der Wasserkraft zur Stromerzeugung ist, daß eine ausreichende Menge und Fallhöhe des Wassers vorhanden ist und aufgrund eines Gefälles mit wirksamer Fließgeschwindigkeit eine Wasserturbine angetrieben werden kann. Kraftwerke sind dort entstanden, wo aus Gründen des Hochwasserschutzes, zur Schaffung ausreichender Wassertiefe für die Schiffahrt oder zur Wasserspeicherung für die Trinkwasserversorgung Stauanlagen errichtet werden mußten.
TURBINENARTEN
Die naturbedingten sehr vielfältigen Verhältnisse bedingen sehr unterschiedliche Möglichkeiten, die Wasserkraft zu nutzen.
Geeignete Plätze um Wasserturbinentypen zu nutzen, sind: große Fallhöhen mit kleinen Wassermengen in den Hochgebirgen, mittlere Fallhöhen und Wassermengen an den Talsperren und geringe Fallhöhen, aber große Wassermengen bei den Flüssen der Mittelgebirge und den Niederungen.
Aus diesen Erkenntnissen heraus haben sich heute 3 Arten von Turbinen durchgesetzt, die abhängig von Fallhöhe und Wassermenge sind um das Maximum an Energie aus dem Wasser heraus zu holen :
die Kaplanturbine, die Francisturbine und die Peltonturbine.
Die Kaplanturbine
1912-1918 entstand diese Turbine durch den Österreicher Victor Kaplan. Diese Turbinenart gleicht einer Schiffsschraube. Der eintretende Wasserstrom wird von dem Leitwerk so gelenkt, daß er parallel zur senkrecht angeordneten Welle auf 3-6 verdrehbare Schaufeln des Laufrades trifft. Die Flügel des Turbinenlaufrades sind verstellbar. Dadurch kann die Turbinenleistung an das schwankende Flußwasserangebot angepaßt werden. Diese Turbine wird hauptsächlich bei Fallhöhen von 2-60 m eingesetzt. Sie wird bis zu einer Leistung von 125 MW gebaut und arbeitet mit einem maximalen Wirkungsgrad von 95 %.
Die Francisturbine
Sie wurde 1849 von James B. Francis erfunden. Bei der Francisturbine wird das Wasser durch ein feststehendes Leitrad mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades gelenkt.Da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt, spricht man von einer Überdruckturbine. Dieser Turbinentyp wird in Laufwasserkraftwerken, vor allem aber in Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken bei Fallhöhen bis 700 m eingesetzt, wo sie Leistungen bis 750 MW bei einem Wirkungsgrad bis 90 % erzielen können.
Die Peltonturbine
1889wurde sie vom Amerikaner Lester A. Pelton erfunden. Diese Turbine , bei der das Wasser aus der Drüse tangential auf das mit bis zu 40 Bechern bestückte
Laufrad trifft. Mit dieser Turbinenart können Fallhöhen zwischen 100-2000 m genutzt werden. Dabei werden Leistungen bis 500 MW erzielt und ein (für ein Speicherwerk im Hochgebirge typischer) Wirkungsgrad von ca. 90 % erreicht werden.
Da neben Fallhöhe und Wassermenge noch einige andere Faktoren die Wahl der Turbinen beeinflussen, überlappen sich die Einsatzbereiche der verschiedenen Turbinenarten.
WASSERKRAFTWERKSARTEN
Die Nutzung der Wasserkraft kann durch Laufwasserkraftwerke(z.B. an Flüssen), Speicherkraftwerke(z.B. Stauseen) und Pumpspeicherkraftwerke mit natürlichem Zulauf erfolgen, die für die Stromerzeugung relevante Beiträge leisten.
Das Laufwasserkraftwerk
Sie sind durch eine geringe Fallhöhe des Wassers und durch einen stetigen Wasserdurchsatz gekennzeichnet, Kaplanturbienen werden bei diesem Kraftwerkstyp in der Regel eingesetzt. Aufgrund des relativ stetigen Wasserangebots eignen sich Laufkraftwerke für den Betrieb rund um die Uhr. Sie dienen daher in Deutschland neben Braunkohlen- und Kernkraftwerken als Grundleistungskraftwerke.
Das Speicherwasserkraftwerk
Für die Errichtung dieser Kraftwerksart eignen sich hochgelegene Seen mit einem natürlichen Wasserzulauf und Talsperren unter Einsatz der Francis- oder Peltonturbine. Im Unterschied zu Laufwasserkraftwerken ist bei Speicherwasserkraftwerken eine kontinuierliche Nutzung des zufließenden Wassers nicht sinnvoll. Besser ist es die Anlage mit einer hohen kontinuierlichen Leistung auszustatten, als dies aufgrund des Zuflusses angemessen wäre, um dann bei ansteigendem Elektrizitätsbedarf mehr Wasser aus dem Speicherbecken zu entnehmen und zu verstromen, als momentan zufließt. Zu Zeiten verminderter Leistungsanforderung wird das zufließende Wasser als potentielle Energie im Speicherbecken gesammelt. Dementsprechend werden Speicherwasserkraftwerke in der Elektrizitätsversorgung vorwiegend zur Spitzenbedarfsdeckung eingesetzt. Die zugehörigen Talsperren dienen darüber hinaus z.T. der Hochwasserrückhaltung., der Regulierung des Abflusses in den nachgeordneten Flüssen zur Sicherung der Schiffahrt und der Speicherung für Trinkwasser- und Bewässerungszwecke.
Das Pumpspeicherwasserkraftwerk
Bei Pumpspeicherkraftwerken wird in Zeiten mit geringem
Stromverbrauch mittels elektrischer Pumpen Wasser in ein höhergelegenes
Speicherbecken gepumpt, um in der Tagesbelastung auftretende Verbrauchsspitzen
decken zu können. Es handelt sich hierbei nicht um Stromgewinnung
, sondern um einzige wirtschaftliche Möglichkeit, Strom in großen
Mengen zu speichern, obwohl Pumpspeicherwerke nur einen Wirkungsgrad von
75 % erreichen. Diese Kraftwerke erfüllen außerdem eine wichtige
Funktionen für eine sichere Elektrizitätsversorgung, wie z.B.
die Reservestellung bei Ausfall von anderen Kraftwerken, die Haltung der
Netzfrequenz und die Stabilisierung des Netzes.
Geschichte
der Windenergie
Um 2000 v. Chr. Erste Windmühlen in China
11 Jhdt Windmühlen in Europa
13 Jhdt Bockwindmühlen und Deutsche Windmühlen mit
waagerechter Windradachse und drehbarem Mühlenhaus.
15 Jhdt Ersten Turmwindmühlen
- Erstes Hilfsrad, das das Windrad in den Wind dreht.
- Automatisch verstellbare Flügelflächen
- Erste Windturbine
Geschichte der Wasserenergie
2000 v. Chr. Erstes Wasserrad
537 n. Chr. Erste Wassermühle
12. Jhdt Staudämme
16. Jhdt Wasserkraft wird für Produktion genutzt
- Erste Wasserkraftwerke
- Erste Turbinen
Windenergie
Auch der Wind ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Die Sonnenstrahlung erwärmt die Luft über Boden und Wasser. Diese Erwärmung variiert von Region zu Region, d.h., in Gegenden stärkerer Einstrahlung steigt die Luft höher als bei solchen mit geringerer Einstrahlung. Daraus entsteht ein Temperatur- und damit ein Druckgefälle in der Atmosphäre .Die daraus entstehenden ausgleichenden Luftströme vom Hochdruck zum Tiefdruckgebiet bezeichnet man als Wind. Wind ist also eine Bewegung von Luftmassen und damit Träger kinetischer Energie.
Die großräumigen Luftströmungen sowie Passat- oder Monsunwinde werden durch die Erdrotation sowie durch die Land-Meer-Verteilung beeinflußt. Lokale Winde unterliegen den Auswirkungen der ´Bodenrauhigkeit´, d.h. der unterschiedlichen Beschaffenheit der Landoberfläche. Auch Gebäude beeinträchtigen den Strömungsverlauf.
Potential
Etwa 2/1000 der von der Sonne eingestrahlten Energie werden in Windenergie umgesetzt. Mit diesem theoretischen Potential ließe sich der gesamte Welt-Strombedarf decken. Demgegenüber stark eingeschränkt steht das technische und wirtschaftliche Möglichkeiten, da eine Windenergienutzung erst an Standorten mit einer jährlichen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 4-5 m/s (Windstärke 3) sinnvoll ist. Das technisch nutzbare Potential Deutschlands wird auf jährlich etwa 12 % des Stromverbrauchs, geschätzt.
Windleistung
Mit der Windleistung (W/m²
) wird die Energiemenge benannt, die pro Sekunde auf der Fläche eines Quadratmeters zur Verfügung steht. Sie hängt maßgeblich von der Geschwindigkeit (v) ab, mit der sich die Windströmung bewegt:
P theor/m² = ½ * p * v³ (Watt/m²)
P theor/m²=theoretissch Windleistung (Watt/m²) ; p=Luftdichte (kg/m³) ; v=momentane Windgeschwindigkeit (m/s)
Der Faktor v³ sagt aus, daß der Energieinhalt des Windes mit der dritten Potenz seiner Geschwindigkeit wächst. Das bedeutet, daß bei einer Verdopplung der Windgeschwindigkeit die Leistung auf das 8fache steigt. Dies gilt auch umgekehrt; Sinkt die Windgeschwindigkeit um die Hälfte, reduziert sich die Windleistung auf 1/8 des vorherigen Werts.
Messung der Windströme
Mit einem Schalenkreutz-Anemometer lassen sich Windgeschwindigkeiten in m/s messen bzw. läßt sich die Windstärke in Beaufort ablesen.
Zur Standortbeurteilung einer Windkraftanlage sind stationäre Meßsysteme -Windmeßmasten und Windfahnen- erforderlich, deren Meßwerte über einen längeren Zeitraum festgehalten werden können. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird die Windgeschwindigkeit meist durch die Windstärke mit einfachen Zahlen von 0 (absolute Windstille) bis 12 (Orkan) angegeben, die 1806 von dem englischen Admiral Beaufort entwickelt wurde. Er beschrieb damit ursprünglich die Wirkung bestimmter Winbedingungenauf die Oberfläche der See. Diese Skala wurde später präzisiert und um die Wirkung des Windes auf die Landoberfläche ergänzt.
Wirkungsgrade
Die maximale theoretische Wirkungsgrad eines Windrads kann aus physikalischen Gründen höchstens 59 % betragen, denn ca. 41 % der Energie im Luftstrom wird für dessen Fortbewegung hinter dem Windrad benötigt. In der Praxis werden aber bei Windrädern dennoch nur Werte von maximal 41 % erreicht. Abzüglich aller weiteren Verluste bei der Umwandlung von Windenergie zu Strom beträgt der durchschnittliche Wirkungsgrad einer Windkraftanlage etwa 25-30 %.
Entwicklung von Windrädern
Die Nutzung der Windenergie zum Antrieb von Schöpf und Mahlwerken, von Maschinen und Segelschiffen wird seid dem Altertum praktiziert. Im 12. Jhdt fanden Windmühlen in Europa Verbreitung, mit Beginn des 15. Jhdt etablierte sich die deutsche Bockwindmühle, die ausschließlich zu Mahlen von Getreide genutzt wurde. Im 18. Jhdt verbreitete sich die holländische Kappenwindmühle, die im Vergleich zur Bockwindmühle technische Verbesserungen aufwies, indem mit Hilfe von Seitenrädern eine leichtere, selbständige Windnachführung möglich wurde.
WINDENERGIEKONVERTER
Es werden grundsätzlich zwei Bauformen von Windrädern unterschieden:
- mit waagerecht angeordneter Welle ( Horizontalachsenkonverter)
- mit senkrechter Welle (Vertikalachsenkonverter)
Horizontalachsenkonverter
In den meisten Fällen kommen heute Horizontalkonverter zum Einsatz. Sie müssen nach Windeinfall ausgerichtet werden, wobei eine Windrichtungsnachführung die Rotorblätter in die jeweils günstige Position bringt. Ein besondere Vorteil liegt darin, daß der Anstellwinkel der propellerartigen Rotorblätter verändert werden kann, so daß sich damit die Leistungsaufnahme des Rotors regulieren läßt. Schnell laufende Horizontalachsenanlagen mit Zwei- oder Dreiblattrotoren haben einen Wirkungsgrad bis zu 45 %. Einflügelige Rotoren, die höhere Drehzahlen als Mehrflügler erreichen, benötigen höhere Windgeschwindigkeiten und haben sich in Deutschland nicht durchgesetzt.
Vertikalachsenkonverter
Hierzu zählen der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor. Im Unterschied zum Horizontalachsenkonverters müssen sie nicht nach dem Wind ausgerichtet werden. Bei Darrieus-Rotoren , die hohe Windgeschwindigkeiten benötigen, formen 2-4 Blätter einen Überdimensionalen Zwiebelring mit lotrechter Achse. Sie sind nicht regelbar und brauchen eine Anlaufhilfe. Der Savonius-Rotor , der aus zwei gegeneinander versetzten Zylinderhälften besteht, zeigt zwar ein gutes Anlaufverhalten, besitzt aber wie der Darrieus-Rotor eine schlechte Leistungsausbeute. Mehrere Anlagen mit diesem Konvertertyp wurden auch in Deutschland erfolgreich erprobt, haben sich aber bisher nicht durchgesetzt.
Funktionsprinzip von Windrädern
Der Wind drückt gegen die Flügelflächen, das Rad kommt in Drehung. Mit diesem Widerstandsprinzip wurden einfache Windräder angetrieben. Moderne Windrotoren nutzen zusätzlich das Auftriebsprinzip.
Die Rotorblätter sind nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet, d.h., die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil einer Flugzeugtragfläche, deren
Oberseite stärker gewölbt ist als die untere Seite. Durch die Windströmung entstehen Auftriebskräfte, die das Drehmoment des Rotors verstärken.
Neben Solarenergie sind Wind und Wasserenergie die einzigen energiearten mit Zukunft. Fossile Energieträger sind nur begrenzt vorhanden.