Laufwasserkraftwerk

Schema eines Laufwasserkraftwerkes

Das Laufwasserkraftwerk Hengstey zwischen Herdecke und Hagen

Das Laufwasserkraftwerk Teufelsbruck (Gemeinde Soyen) am Inn.

Ein Laufwasserkraftwerk, Laufkraftwerk oder auch Flusskraftwerk ist ein Wasserkraftwerk ohne Speichermöglichkeit für das Betriebswasser.

Funktionsweise

Das Flusswasser wird durch eine Wasserturbine geleitet, die die potentielle Energie des Wassers in eine mechanische Drehbewegung umwandelt. Diese Drehbewegung treibt einen Generator an. Um Durchfluss und Gefällehöhe zu steigern, wird mittels einer Wehranlage das Flusswasser aufgestaut. Dadurch entsteht auf der flussaufwärts gelegenen Seite der Wehranlage ein Stausee, der sogenannte Rückstauraum. Die Fallhöhe als Höhenunterschied zwischen Oberwasser und Unterwasser sowie die Ausbauwassermenge bestimmen die Installierte Leistung und das Arbeitsvermögen des Kraftwerkes. Ein Diffusor am Austritt der Wasserturbine vergrößert den Wirkungsgrad bei gegebenem Höhenunterschied, verstärkt aber auch auf Grund seiner Vakuumbildung die Gefahr von Turbinenschäden durch Kavitation.

Durch eine Stauanlage wird Wasser im Stauraum auf möglichst hohem potentiellen Niveau zurückgehalten. Die Energie der Bewegung des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, wodurch dieses in Drehbewegung mit hohem Drehmoment versetzt wird. Dieses wiederum wird direkt oder über ein Getriebe an die Welle des Generators weitergeleitet. Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrischen Strom um. Für den Antrieb des Generators werden gewöhnlich Kaplan- und Francis-Turbinen verwendet. Weitere Bauteile sind abhängig von Größe und Bauart des Elektrizitätswerkes.

Typen

Privates Wasserkraftwerk in Olching

Zulauf des Laufwasserkraftwerkes Isar 1, Isarkanal, München

Zulauf des Laufwasserkraftwerkes Mühltal, Schäftlarn

Da die Fallhöhe meist gering ist, handelt es sich um den Typ Niederdruckkraftwerk. Ihre Leistung wird hauptsächlich durch große Durchflussmengen erzielt. Das Speichern und damit die Regelung von Durchfluss und Stromproduktion ist nur in besonderen Fällen möglich.

Schwellbetrieb

Bei Laufkraftwerken mit Schwellbetrieb wird das Wasser über einige Stunden im Stauraum gesammelt und dann auf die Turbine geleitet. Damit wird die Leistung erhöht und die Möglichkeit der Regelung geschaffen.

Staumauer der Lechstaustufe 13 bei Landsberg am Lech

Ausleitungskraftwerke

Bei einer Ausleitungsanlage wird das durch die Wehranlage aufgestaute Wasser über einen Kanal oder Stollen zum Krafthaus geleitet, welches nicht direkt bei der Wehranlage steht. Dadurch wird meist der Flusslauf stark verkürzt, um damit Fallhöhe zu gewinnen. So wird beim Innkraftwerk bei Imst durch einen 12,3 km langen Druckstollen die Innschleife bei Landeck abgeschnitten und damit eine Fallhöhe von 143,5 m erzielt.

Trinkwasserkraftwerk

Eine Besonderheit stellt das Wasserleitungskraftwerk Gaming in Gaming (Niederösterreich) dar. Das Wasser der II. Wiener Hochquellenwasserleitung überwindet zwischen Lunz am See und Gaming ein Gefälle von 220 m. Über eine 600 m lange Rohrleitung wird das Wasser zur Stromerzeugung genutzt und setzt danach seinen Weg nach Wien fort.

Diesen Typ bezeichnet man auch als "Entspannungsturbine", deren Einsatz häufig im Trinkwassersystem erfolgt. Hierbei wird der Druckunterschied im Rohrleitungsystem zwischen Hochbehälter und Verteilsystem genutzt. Auf den Einsatz von Druckminderern kann verzichtet werden und ein Teil der für das Pumpen des Wassers in den Hochbehälter benötigten Energie kann wieder zurückgewonnen werden.

Buchtenkraftwerk

Sehr häufig findet sich das so genannte Buchtenkraftwerk, wobei es sich um eine Sonderform der Blockbauweise handelt. In diesem Fall befindet sich das Kraftwerk in einer künstlichen Bucht am natürlichen Flusslauf. Sinnvoll kann auch die Anordnung an der geschiebefreien Außenseite einer Flusskrümmung sein. Vorteil dieser Bauweise ist, dass der Flussquerschnitt nicht verengt wird und eventuell auftretende Hochwässer sicher abfließen können.

Wasserrad

Modernes Zuppinger-Rad im LBV-Zentrum Mensch und Natur (2002 von der Fa. HydroWatt gebaut)

Wasserräder sind die älteste Form der Laufwasserkraftwerke. Da sie bei kleinen Fallhöhen und kleinen Wassermengen Wirkungsgrade besitzen, die mit denen von Turbinen vergleichbar sind, werden sie auch heute noch eingesetzt. Wasserräder können ohne Regelung und mit stark schwankenden Wassermengen ohne nennenswerte Beeinträchtigungen des Wirkungsgrades laufen. Daher können sie unter bestimmten Bedingungen eine höhere Jahresarbeit als Turbinen aufweisen.

Wasserwirbelkraftwerk

Schematische Darstellung eines Wasserwirbelkraftwerkes.

Die kleinste Form eines Kleinwasserkraftwerks ist zur Zeit das Wasserwirbelkraftwerk. Bei diesem Typ wird einem fließenden Gewässer mit Hilfe einer kurzen Betonrampe Wasser abgezweigt und einem kreisrunden Betonbecken mit Abfluss zugeführt. Der dabei entstehende Wasserwirbel treibt einen speziell geformten Wirbelrotor an, der durch die entstehende Drehkraft Strom erzeugt.

Laufwasserkraftwerk ohne Schwellbetrieb

Strom-Boje

Eine Strom-Boje wird einfach in den Fluss gehängt und verändert das Landschaftsbild nicht. Eine solche Boje kann auch in Flussabschnitten eingesetzt werden, in denen herkömmliche Wasserkraftwerke nicht errichtet werden können.

Wasserkraftschnecke

Wasserkraftschnecken kommen mit geringen Wassermengen und geringen Höhenunterschieden aus, werden aber auch bei hohem Gefälle eingesetzt. Die Wassermenge kann stark schwanken.

Schachtkraftwerk

Auch Schachtkraftwerke eignen sich für sehr kleine Fallhöhen. Es eignet sich durch die einfache Technik für dezentrale Anlagen in Entwicklungsländern. Zum Einsatz kommt eine DIVE-Turbine. Die TU München optimiert diesen Bautyp in ihrer Versuchsanstalt in Obernach.^[1]

Ökonomie

Stromproduktion

Laufwasserkraftwerke erzeugen rund um die Uhr Strom und werden daher zur Abdeckung der Grundlast verwendet. Hochwasser und Niedrigwasser vermindern die Leistung. Bei Hochwasser verringert sich die Fallhöhe, weil der Wasserspiegel unterhalb der Wehranlage ansteigt. Bei Niedrigwasser verringert sich der Durchfluss. Im Winter ist die Stromproduktion, bedingt durch die geringere Wasserführung der Flüsse, geringer als im Sommer. Durch die meist gute Auslastung der Turbinen (>50 %) und gleichzeitig geringe Betriebskosten erzeugen Laufkraftwerke kostengünstigen Strom. In Deutschland stehen Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke mit einer installierten Leistung von 4.215 MW (6 %) zur Verfügung, die in 4.430 Stunden eine Stromproduktion von 18,6 TWh liefern.

Schifffahrt

Um trotz der Unterbrechung des Wasserlaufes durch die Wehranlage den Fluss schiffbar zu machen, werden Schleusen errichtet.

Durch den Stauraum wird die Schifffahrt oft bei Niedrigwasser erleichtert oder durch die Anhebung der Wassertiefe überhaupt erst ermöglicht.

Durch Aneinanderreihung von Kraftwerken an der Donau und den Bau des Main-Donau-Kanals wurde für die Binnenschifffahrt ein ganzjährig nutzbarer Wasserweg zwischen Nordsee und Schwarzem Meer geschaffen.

Ökologie

Laufwasserkraftwerke erzeugen Strom aus erneuerbarer Energie. Oft entstehen aber durch Bau und Betrieb massive Eingriffe in die Umwelt, die zu nachhaltiger Veränderung der Ökologie führen können. Es ist mit Folgen wie dem Verlust der natürlichen Fluss-Dynamik, Verringerung des Schottertransportes, dem Ausfall von ökologisch wichtigen Überflutungen, einer daraus resultierende Verringerung des Nährstoffeintrages in angrenzende Augebiete etc. zu rechnen.

Eine besondere Form des Laufwasserkraftwerkes ist die Strom-Boje. Die Auswirkungen auf die Umwelt sind im Vergleich zu konventionellen Laufwasserkraftwerken gering.

Siehe auch: Ökologische Auswirkungen von Wasserkraftwerken

Siehe auch

• Staudruckmaschine
• Speicherkraftwerk
• Liste der Kraftwerke
• Strom-Boje
• Wasserkraftschnecke
• Wasserwirbelkraftwerk

Große Laufkraftwerke:

• Drei-Schluchten-Damm
• Itaipú
• Assuan-Staudamm

Einzelnachweise

1. ↑ Sauberen Strom für alle: Ein Visionär entwickelt Klein-Wasserkraftwerke, nano (3sat) vom 12. Mai 2010
   Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Institut für Wasser und Umwelt, TU München
   dive-turbine.de

Weblinks

• Funktionsweise eines Ausleitungskraftwerkes, Landesverband Bayerischer Wasserkraftwerke eG
• Laufwasserkraftwerke in Deutschland, energiewelten.de
• Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit: Die Wettbewerbsfähigkeit von großen Laufwasserkraftwerken im liberalisierten deutschen Strommarkt Endbericht (Langfassung), November 2003 (von Fichtner, Stuttgart)
• Laufkraftwerk Strom-online
• Wasserkraft contra Umwelt?, Sueddeutsche.de
• Fischsterben durch Wasserkraft nano (3sat)
• alpha-channel