Eine uralte Technik im Wandel der Zeit
Wie die Solar- und Windenergie hat auch die Wasserenergie eine sehr lange Geschichte, welche bereits vor 4000 Jahren in Mesopotamien beginnt, als man Wasserräder zur Bewässerung von Feldern benutzte. Im 3. Jahrhundert vor Christi wurde die Wasserkraft dann in China, Vorderasien und den antiken Rom sowie Griechenland effektiv zum Mehlmahlen genutzt. Zurückblickend spricht man davon, dass der Ursprung der Wasserkraft im Mittelalter liegt als das Wasserrad zur allgemeinen Antriebsmaschine wurde. Diese uralte Technik ist heutzutage vom Prinzip her nicht anders als damals, allerdings gab es in der Entwicklung der Wasserkraft 1880 einen erstaunlichen Fortschritt als der englische Bauingenieur John Smeathon das erste Wasserrad aus Gusseisen entwickelte und in Nordirland das erste Wasserwerk entstand, womit man Strom auf einfache Weise erzeugen kann. Ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Wasserenergie war die Erfindung der Turbinen, welche auf das Prinzip der alten Wasserräder basiert so wie sie bis Mitte des 19.Jahrhunderts existierten. Dadurch gelang es die Effizienz von circa 20% auf bis zu 70% zu steigern.
Begriffserklärung
Wasserenergie ist die Energie, welche aus der Kraft des Wassers gewonnen wird und sie zählte im Jahr 2000 mit 4,4 % Anteil an der Abdeckung des Strombedarfs in Deutschland zu der mit Abstand am bedeutendsten erneuerbaren Energiequelle Deutschlands. Deutschlandweit werden zur Zeit 585 Wasserkraftwerke aller Art gezählt. Allerdings setzt die Wasserenergie die Sonnenenergie voraus, da die Sonne für Verdunstung und Regen verantwortlich ist.
Bei dieser Art von Energiegewinnung wird die Bewegung des Wassers mit Zuhilfenahme verschiedener Turbinen in potentielle Energie umgewandelt. Von den oben genannten 4,4% werden rund 90% allein mit Hilfe der von mir ausgewählten Laufwasserkraftwerke abgedeckt. Lediglich die restlichen 10% stammen von Speicher-, Pumpspeicher- oder Gezeitenkraftwerken. Da bei dieser Art der Energiegewinnung das Wasser „laufend“ verarbeitet wird, ist die Energiegewinnung von dem Zufluss und dem Wasserspiegel abhängig. Aus diesem Grund kann nur der ständig verfügbare Teil der Laufwasserkrafterzeugung langfristig eingeplant werden. Außerdem kann der bereits erwähnte Zufluss stark schwanken und somit der Energiebedarf nicht mit dem Wasserangebot gedeckt werden. Da das Wasser bei dieser Form der Energiegewinnung nicht gespeichert werden kann, muss es innerhalb 24 Stunden verarbeitet werden und dies führt dazu, dass ungenutztes Wasser über das Wehr hinweg fließt. Auf Grund dieser Tatsache wird die Energie allerdings nicht so hoch bewertet wie die Energie von Wasserwerken, bei denen die Energie ständig verfügbar ist, dass sie gespeichert werden kann.
Da sich ein Laufwasserkraftwerk direkt an einem Fluss befindet, zeichnet es sich durch einen geringen Niveauunterschied aus und die Durchlaufgeschwindigkeit ist ein ausreichender Fakt das Wasserwerk effizient arbeiten zu lassen und der Strom für den Grundbedarf kann somit gedeckt werden. Infolgedessen gelten Laufwasserkraftwerke als sehr wirtschaftlich und umweltverträglich. Dies nicht zuletzt, weil weder Schadstoffe noch Abwärme produziert werden sowie die Betriebskosten in einem kleinen Rahmen gehalten werden.
Aufbau und Funktionsweise
Ein großer Teil solcher Wasserwerke machen sich die Eigenschaften von Kaplan-Turbinen zu nutzen. Dabei kommen Hohlwellen zum Einsatz, damit der Laufradverstellmechanismus aufgenommen werden kann. Die Kaplan-Turbinen sind vertikal verbaut wurden, so dass eine optimale Ausnutzung der Kraft erreicht werden kann.
Die Turbinen werden über Lamellen direkt mit dem Wasser aus dem Fluss betrieben.
Zudem verfügen die Kaplan-Turbinen über einem Riemenbetrieb mit Drehstrom-Asynchrongeneratoren.. Das Laufrad wird über Stellstangen im Inneren des Werkes verstellt. Um dies effizient und schnell durchführen zu können, werden die Eigenschaften eines Hebel-Lenker-Mechanismus ausgenutzt. Zur Reinigung einer solchen Anlage werden Feinrechen eingesetzt. Die Positionierung im Zulaufbereich sorgt für ein optimales Ergebnis. Durch diese werden Verschmutzungen, beispielsweise durch Holz, Flaschen und sonstigen Abfällen, aufgefangen. Selbst Verunreinigungen, kleiner als eine Streichholzschachtel, können auf diese Weise beseitigt werden. Ein manueller Eingriff ist nicht nötig, da die Steuerung direkt von der Schaltanlage ausgeht. Die Anlagen die mittels SPS Software betrieben wird, reagieren auf Differenzen im Wasserstand. Ist eine bestimmte Differenz erreicht, geht automatisch ein Signal in die Schalträume und die Feinrechen beginnen mit der Reinigung.
Die komplette Schaltanlage des Wasserwerkes ist für den automatischen Betrieb konzipiert, so dass das Personal lediglich eine Kontrollfunktion hat. Ölstände, Wassermengen und etwaige Netzschwankungen werden sofort gemeldet, so dass im Notfall immer ein schnelles Agieren möglich ist.
Der Fokus der Anlage liegt auf dem Oberwasser. Mit Druckmessdosen ausgestattet, werden Wasserstand und Stauziel überwacht. Die Messdosen stehen ferner im direkten Zusammenhang mit der Aktivität der Feinrechen. Um eine präzise Sensorik zu ermöglichen, sind die Druckmessdosen jeweils vor und nach dem Feinrechen installiert.
Der optimale Wasserstand und somit auch das Stauziel werden durch die Kaplan-Turbinen
gewährleistet. Deren Regelung ist maßgeblich dafür verantwortlich. Für den Fall, dass der Wasserstand das obere Limit erreicht, kommen die Wehraufsätze zum Einsatz. Steigt der Pegel, können die beweglichen Aufsätze für einen entsprechenden Abfluss sorgen. Vor allem bei Hochwasser ist diese Regelung von Nöten. In vielen solcher Wasserwerken werden Schlauchwehre verwendet. Es handelt sich dabei um eine sehr kostengünstige und somit ökonomische Alternative. Die Schlauchwehre sind beweglich, vollautomatisch und betriebssicher. Bestehend aus Gummigewebe und einer betonierten Sohle wird für das Wehr ein dichter Innenraum geschaffen. Die Regulierung der Wasserzufuhr erfolgt ausschließlich über einen Druckausgleich, der an der Außenhaut des Wehrs geregelt werden kann. Sinkt der Druck auf den Wehr, wird dieser mit Luft befüllt, er bläst sich förmlich auf. Wird ein steigender Druck auf den Schlauchwehr ausgeübt, senkt sich dieser ab. Letzteres trifft zu, wenn Hochwasser kommt. Über ein Stellventil können die Schläuche einzeln entleert werden, um dem steigenden Druck schneller entgegenwirken zu können. Zentrum des Werkes sind die Schaltschränke. Im direkten Austausch mit den Signalgebern an Turbinen, Feinrechen, Schlauchwehr und der anderen Technik, ist wie bereits erwähnt, kein menschliches Eingreifen nötig. Ein Eingreifen ist lediglich bei einer Störung erforderlich. Dank der ausgereiften Technik tritt dieser Umstand jedoch selten bis gar nicht ein.
Zwischen den zwei Turbinen muss eine Leitturbine festgelegt werden. Ohne dies ist ein Start der Anlage nicht möglich. Erst wenn eine von beiden benannt wurde, fährt die Anlage auf ihre Nenndrehzahl. Für den normalen Betrieb ist es ausreichend, wenn nur eine Turbine läuft. Je nach Bedarf kann die Zweite jeweils hinzugeschaltet werden. Um eine Abnutzung bzw. einen zu schnellen Verschleiß der Turbinen zu vermeiden, sollten diese abwechselnd zum Tragen kommen. Bei Überlastung einer Turbine gibt diese automatisch ein Störsignal an die Schaltzentrale, was letztlich zum Stillstand dieser führt, um eine Abkühlung herbeizuführen. Für diesen Fall wird eine zweite Turbine hinzugeschaltet, um den Betrieb aufrecht zu erhalten. Gleiches gilt für einen Ausfall des Netzes. Praktisch über ein Not-Aus, werden die Maschinen umgehend gestoppt, um Unfälle oder Defekte zu vermeiden.
In aller Regel werden die Turbinen im Automatikbetrieb gefahren. Nur selten kommt der halbautomatische oder Handbetrieb zum Einsatz. Beim Halbautomatikbetrieb wird ohne Wasserstandsregler gearbeitet, dass die Leitradöffnung auf einen exakten Wert gestellt wird.
Im manuellen Betrieb könne Lauf- und Leitrad über zwei Schalter geregelt werden. Allerdings wird nur in Ausnahmen auf diese Methode zurückgegriffen. Um die Effektivität der Turbinen nicht zu gefährden, müssen diese in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Durch etwaige Ablagerungen im Wasser, kann der Betrieb erheblich eingeschränkt werden, so dass die beiden Turbinen gespült werden.
Kaplan-Turbinen
Kaplan-Turbinen wurden vom österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan entwickelte, um geringe Wasserstände optimal nutzen zu können. Gerade in den Zwanziger Jahren stellte dieser Umstand ein großes Problem dar, wodurch diese letztlich zum Einsatz kamen. Das Laufrad ist mit einem Schiffspropeller vergleichbar. Die verwendeten Schaufeln sind hydraulisch verstellbar, so dass die Wasserströmung optimal zum Antrieb der Schaufeln genutzt werden kann.
Das Leitwerk der Kaplan-Turbinen lenkt das einströmende Wasser, so dass die Wassermassen parallel zur Turbine auf die Schaufeln treffen. Nicht nur die Schaufeln an sich können in ihrer Position optimal eingestellt werde, vielmehr ist das gesamte Leitwerk justierbar. Nur durch diese Möglichkeiten können Schwankungen im Zufluss sowie die variierenden Wasserstände ausgeglichen werden. Wie auch im Uhlstädter Wasserwerk werden die Turbinen in aller Regel vertikal eingesetzt, so dass das Wasser äußert effektiv von oben nach unten strömen kann. Durch ihre robuste und stabile Verarbeitung ist ein Wirkungsgrad von 80 – 95 % möglich.
Vor- und Nachteile von Wasserenergie insbesondere von Laufwasserkraftwerken
Die Wasserenergie hat in den letzten Jahren einen hohen Stellwert erlangen können. Gezeichnet durch Vor- und Nachteilen finden sich Befürworter gleichermaßen wie Kritiker.
In erster Linie überwiegen die Vorteile. Ganz wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass kein Zugriff auf Umwelt belastende fossile Energieträger wie Öl, Erdgas oder Kohle mehr nötig ist. Durch den ökologischen Aspekt beim Bau einer Wasserkraftanlage werden keine Schadstoffe, also Gifte und Abfallprodukte hervorgerufen. Wasserkraftwerke tragen im Wesentlichen dazu bei, die Erderwärmung zu reduzieren. Durch ihre effiziente Bauweise wird die Abgabe von Wärme praktisch auf ein Minimum reduziert. Zudem überzeugt eine Wasserkraftanlage eine lange Lebensdauer und einen geringen Wartungsaufwand, was den ökonomischen Aspekt unterstützt und die Betriebskoten gering hält. Ein Vorteil gegenüber den Windkraftwerken liegt darin, dass die Energie aus dem Wasser besser regulierbar und beeinflussbar ist, da man den Wind nicht steuern kann. Weiterhin positiv ist der Fakt, dass durch Wasserwerke ein hoher Wirkungsgrad von bis zu 90% bis 95% erzielt wird und somit ein Großteil der kinetischen in elektrische Energie umgewandelt wird. Des Weiteren können sich Wasserwerke positiv auf Flora und Fauna wirken. Nicht selten wird eine große Artenvielfalt an Fischen festgestellt, was letztlich auf die ausgezeichnete Wasserqualität zurückzuführen ist.
Besonders bei Laufwasserkraftwerken wird noch der Vorteil erzielt, dass das Wasser, also der Fluss, von Treibgut oder Ähnlichen aufgrund der vorhandenen Rechen der Anlage befreit wird und auch in Trockenzeiten, wenn also wenig Wasser zur Verfügung steht, kann trotzdem das wenig vorhandene Wasser genutzt werden. Unter Anwendung der verbauten Kaplan-Turbinen eine optimale Konstellation. Außerdem fallen bei dieser Art Wasserwerk nur geringe Betriebskosten an und es ist die Möglichkeit gegeben, da der Fluss 24 Stunden in Bewegung ist, rund um die Uhr Strom zu erzeugen. Durch die vorherrschenden Speichermöglichkeiten kann sowohl ein Überschuss als auch eine Unterversorgung mit Strom reguliert werden. Leider zieht dieser Aspekt nicht bei Laufwasserkraftwerken.
Allerdings gibt es auch bei dieser Art der Erneuerbaren Energie Nachteile, die zum einen die Kostenintensität beim Bau einer solchen Anlage zeigt. Doch dieser ist nicht nur kostenaufwändig sondern vielmehr auch sehr zeitaufwändig, allerdings amortisieren sich die Baukosten rasch durch die permanente Verfügbarkeit des Mediums und niedrigen Betriebskosen.
Nachteilig ist auch, dass Wasserkraft keine konstante Größe darstellt.
Eine präzise Berechnung der zu erzeugenden Energie ist nicht möglich, vielmehr dient ein Mittelwert als Rechnungsgrundlage. Hinzu kommt, dass zwischen Kraftwerk und Verbraucherzentren oftmals eine erhebliche Entfernung besteht, so dass auch die Weiterleitung der Energie mit hohen Kosten einhergehen kann.
Ein überwiegender negativer Aspekt, den vielen Kritiker in Diskussionen vorbringen, sind die landschaftlichen Veränderungen, die mit dem Bau einer Wasserkraftanlage einhergehen. Nicht nur der Lebensraum von Flora und Fauna wird zerstört, vielmehr kann darauf eine Umsiedlung ganzer Dörfer resultieren. Um dem entgegen zu wirken, wurde im Rahmen der Sanierung des Uhlstädter Wasserwerkes eine Fischtreppe installiert. Dank der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) wird diese sogar gesetzlich festgelegt.
Dadurch, dass das Wasser verändert wird, kann es zu Temperatur und Sauerstoffarmut kommen. Zwar können auch die Nährstoffe in den Fluss zunehmen, doch dies kann wiederum
dazu führen, dass auf dem Flussboden zahlreiche Pflanzen wachsen, welche unter Umständen
zur Störung der Wassergewinnung führen kann. Mit Blick auf Fische und andere Lebewesen kann jedoch auch dieser Aspekt entschärft werden. Eine gut situierte Fauna nutzt die vorhandene Flora zur Nahrungsgewinnung. Ein neuer ökologischer Kreislauf kann auf diese Weise gewonnen werden.