Vandkraft

Three Gorges Dam i Kina

Vandkraft (også: vandkraft ) er en regenerativ energikilde . Udtrykket beskriver konvertering af vandets potentielle eller kinetiske energi til mekanisk arbejde ved hjælp af en vandkraftmaskine .

Indtil begyndelsen af ​​det 20. århundrede blev vandkraft hovedsagelig brugt i møller . I dag produceres elektricitet næsten altid ved hjælp af generatorer . Med 4.296,8 TWh , hvilket svarer til en andel på 16,02% i den globale elproduktion , var vandkraft den tredje vigtigste form for elproduktion i 2020 efter omdannelse af kul og naturgas til elektricitet og før atomkraft .

historie

Kørekraftværk fra 1892 på Amper i Schöngeising ⊙48,137329 11,20775

Vandkraftens historie går langt tilbage. Historikere antyder, at det blev brugt i Kina så tidligt som for 5000 år siden. Andre gamle kulturer på Nilen , Eufrat og Tigris og på Indus brugte de første vanddrevne maskiner i form af vandhjul til at overrisle marker for 3500 år siden . I romerne og grækernes tid blev vand derefter brugt på forskellige måder som drivmiddel til arbejdsmaskiner. Omkring det 2. århundrede f.Kr. Den Arkimedesskruen blev opfundet og bruges stadig i dag.

Undervandshjulet blev brugt fra det 9. århundrede e.Kr. Fem århundreder senere blev det overskudte vandhjul opfundet. Foruden vandets kinetiske energi bruges dets potentielle energi også her.

I 1767 fremstillede den engelske civilingeniør John Smeaton det første vandhjul i støbejern , hvilket var en væsentlig forudsætning for den industrielle revolution , da dens enormt højere modstandsdygtighed gjorde det muligt at opnå større ydeevne. Undersøet vandhjul med skæve vinger , opfundet omkring 1826, er ca. dobbelt så effektivt som undervandshjul med lige vinger. Alle disse forbedringer bidrog til mekanisering, industrialisering og økonomisk vækst.

I slutningen af ​​det 18. århundrede var der omkring 500.000 til 600.000 vandmøller i Europa, der drev (korn) møller og andre arbejdsmaskiner . Den gennemsnitlige produktion af disse møller var mellem 3 og 5 kW, de største systemer havde op til over 40 kW.

I 1842 udviklede den franske ingeniør Benoît Fourneyron forløberen for en Francis vandmølle . Med denne teknologi kunne større mængder vand og højere gradienter anvendes, hvilket førte til en øget ydelse sammenlignet med vandhjul. Da Werner von Siemens opfandt den elektrodynamiske generator i 1866 , blev det muligt at omdanne vandkraft til elektricitet.

I 1880 gik det første vandkraftværk i Northumberland, England, i drift for at forsyne Cragside landsted med elektricitet. Den 30. september 1882 åbnede vandkraftværket Fox River i Appleton, Wisconsin . I august 1895 begyndte verdens første store kraftværk, Edward Dean Adams Power Plant , at producere elektricitet ved Niagara Falls . Træmasseproducenten Konrad Fischer lod Reichenhall elværker bygge ; det startede sin virksomhed den 15. maj 1890. Det anses for at være det første vekselstrømskraftværk i Tyskland og det første elektriske kraftværk i Bayern.

I 1902 fandt Congrès de la houille blanche sted i Grenoble - med en yderligere udstilling i 1914 og 1925, derefter i Lyon og igen i Grenoble . Udtrykket "hvidt kul" illustrerer den betydning, der blev tillagt denne energikilde. Udtrykket er afledt af vandet i bjergregionerne, som ofte strømmer hvidskummende ned til dalen. Vandkraft modtog et betydeligt løft med elektrificering af jernbanelinjerne . Elektriske lokomotiver har allerede fuldt drejningsmoment, når de starter ; for damplokomotiver øges den med stigende hastighed. Hertil kommer, at når man kører ned ad bakke eller ved opbremsning, elektriske lokomotiver kan rekuperativt omdanne kinetisk energi til elektricitet. Jernbanevirksomheder byggede kraftværker, især i bjergområderne, hvor vandkraft er tilgængelig i nærheden . Elektricitet er også blevet kaldt "jernbanens lillesøster".

brug

I hele verden

Vandkraft har et stort potentiale for at generere elektricitet, hvor de respektive potentialer svinger meget stærkt fra region til region afhængigt af mængden af ​​nedbør og topografiske eller geografiske forhold. Det teknisk anvendelige potentiale anslås til ca. 26.000  TWh om året, hvoraf 21.000 TWh også kunne anvendes ud fra et økonomisk synspunkt. Det potentiale, der rent faktisk kan udvikles, er omkring 16.000 TWh, hvilket stort set svarer til det globale elbehov i 2005.

I 2020 blev der installeret vandkraftværker med en kumulativ kapacitet på omkring 1.330 GW over hele verden, hvilket producerede omkring 4.300 TWh elektrisk energi. Det betyder, at vandkraft leverede 16,0% af verdens elektriske energibehov og omkring 58% af den samlede elektricitet genereret fra vedvarende kilder, hvilket dækkede 27,8% af verdens elefterspørgsel. Dette svarer til lidt mere end 1,6 gange produktionen af atomkraftværkerne , som leverede 2.700 TWh i 2020. Cirka 60% af den globale produktion finder sted i de fem lande Kina, Brasilien, Canada, USA og Rusland. I 2014 blev det antaget, at omkring 180 GW vandkraftkapacitet vil blive tilføjet globalt i det næste årti, hovedsageligt i Kina, Tyrkiet, Brasilien og Indien.

Ti af de største vandkraftproducenter i 2020.

Land	Årlig produktion ( TWh )	Installeret kapacitet ( GW )	Kapacitet faktor	Andel af den samlede elproduktion i dette land i%
Folkerepublikken Kina Folkerepublikken Kina	1322,0	370,2	0,41	16.99
Brasilien Brasilien	396,8	109.3	0,41	63,99
Canada Canada	384,7	82,0	0,54	59,75
Forenede Stater Forenede Stater	288,7	102,0	0,32	6,73
Rusland Rusland	212.4	49.9	0,49	19.57
Indien Indien	163,6	50,5	0,37	10.48
Norge Norge	141,0	33,0	0,49	91,25
Kalkun Kalkun	78.1	31.0	0,29	25,56
Japan Japan	77,5	49.9	0,18	7,72
Sverige Sverige	73.3	16.5	0,51	43,36

Europa

Ved udgangen af ​​2006 var 7.300 anlæg aktive i Tyskland, og i 2007 bidrog de med 3,4% til den samlede elproduktion. I Østrig er det ca. 56,6% og i Schweiz ca. 52,2%. I Tyskland dækker vandkraftværker i øjeblikket ca. 4% af det tyske elbehov; I 1950 var det stadig omkring 20%. Årsagen til dette fald var den kraftige stigning i elforbruget siden 1950, hvorfor vandkraftens relative bidrag faldt i den nævnte periode på trods af opførelsen af ​​nye vandkraftværker.

Blandt de medlemsstater i Den Europæiske Union , Sverige , Italien og Frankrig bidrager mest med energi fra vandkraft: I 2011 leverede Sverige 66 TWh, efterfulgt af Italien og Frankrig med omkring 45 TWh hver.

Da vandkraftværker kan reguleres og dermed let tilpasses efterspørgslen efter elektricitet, kan de udgøre en vigtig tilføjelse til andre vedvarende energier, der ikke er i stand til basisbelastning, såsom vindkraft og solcelleanlæg .

Vandkraftanlæg

Klassifikation

Der findes en række forskellige typer vandkraftværker. Deres klassificering er ikke altid klar og kan laves efter forskellige aspekter. Følgende klassifikationer kan foretages:

Plantetyper

• Run-of-river kraftværk
• Lagerkraftværk og pumpekraftværk
• Bølgekraftværk
• Tidevands kraftværk
• Gradientkraftværk ( osmosekraftværk og marine termisk kraftværk )
• Glacier power station

Turbiner

Pumpehjul til en Pelton-turbine

Klassifikation

Som med kraftværkstyperne kan turbiner differentieres efter forskellige aspekter: I henhold til belastningen (delvis eller fuldt belastet), hjulformen (radial, diagonal, aksial), designet (lodret eller vandret til akselpositionen) og driftsformen, som er den mest almindelige kendetegn. Følgelig er der konstante trykmøller og turbiner med positivt tryk .

Typer

• Pelton-turbine eller fri jet- turbine
• Cross-flow turbine / Ossberger turbine
• Francis turbine
• Kaplan-turbine
• Jonval turbine
• vandmølle

Afhængig af turbintype og driftspunkt er der risiko for beskadigelse af kavitation .

generelle grundlæggende

Energisk

Energi kommer i forskellige former. Under hensyntagen til termodynamikens love kan energi omdannes til arbejde . Kinetisk energi og den potentielle energi er afgørende for brugen af ​​vandkraft . Vand over havets overflade har den potentielle energi og gennemgår gennem tyngdekraften en acceleration , hvorved en del af den oprindelige energi automatisk omdannes til kinetisk energi. Denne flydende mekaniske energi omdannes til mekanisk energi ( rotationsenergi ) af turbiner i vandkraftværker og transformeres i sidste ende til elektrisk strøm af generatorer .

For at bestemme den maksimale transformerbare energi skal der foretages en beregning i henhold til den udvidede Bernoulli-ligning , hvor alle tab på grund af turbulens eller på grund af friktion på systemdele tages i betragtning. Tab under energiomdannelse undslipper i form af termisk eller akustisk energi.

Effekten, også kaldet energistrøm, påvirkes af vandets faldhøjde, vandmængden, vandets tæthed og systemets effektivitet , den samlede effektivitet inklusive alle tab af turbinerne og generatoren. For vandkraftværker er den samlede effektivitet 80% eller højere. Sammenlignet med andre typer kraftværker er denne værdi den største. Ud fra et energisynspunkt er vandkraft en primær energikilde , da den kommer direkte fra en naturlig energikilde.

Hydrologisk

Fra et hydrologisk synspunkt er vandcyklussen af stor betydning for vandkraft . Den beskriver vandets bevægelser på regionalt og globalt plan. Drevet af solens strålende energi passerer vandet gennem forskellige sammenlægningstilstande . I princippet fungerer cyklussen som følger: Vand fordamper fra overfladevand (hav, søer, floder) og stiger op i atmosfæren i form af vanddamp. Der kondenserer den, hvorpå den kommer tilbage til jordens overflade hovedsageligt som regn eller snefald. Topografiske forhold skaber afvandingsområder, hvor nedbør beriger floder med vand.

Mængden af ​​vand, der transporteres af en flod, er udsat for stærke udsving, hovedsageligt forårsaget af sæsonudsving i nedbør og af klimatiske og meteorologiske forhold. Afstrømningen er en meget vigtig parameter for dimensionering af vandkraftværker. Frem for alt skal ekstreme værdier tages i betragtning, så f.eks. B. der ikke opstår skader under oversvømmelser . Langtidsmålinger af afstrømningen af ​​et afvandingsområde hjælper her. Nyttige af disse er ud over hydrografen af en flod, flowvarighedskurven, sumlinien og påfyldningslinjen, som alle er beskrevet i et afstrømningsdagsdiagram.

• Hydrografen, udgangspunktet for hydrologiske afladningsundersøgelser, angiver det tilsvarende udledningsvolumen for tidsintervaller (f.eks. Dage, timer).
• Varighedskurven er arrangeret i henhold til dens udledningsværdier og indikerer således, hvor mange dage om året en bestemt udledningsværdi overskrides eller ikke nås.
• Den samlede linje er vigtig for dimensioneringen af ​​vandkraftværker med opbevaring. Det oprettes ved at tilføje hydrografen over tid.
• Udfyldningslinjen bruges til at beskrive afstrømningen under oversvømmelseshændelser. Hvis der ikke er nok data til, at et bestemt sted kan testes, kan der bruges statistiske metoder til at indsamle dataene. Ud fra kendskabet til udledningsdata, typen af ​​det planlagte kraftværk, turbineudvælgelsen og andre planlagte anvendelser af vandet, såsom skibsfart eller økologisk relateret minimum vandudledning, kan ekspansionsstrømmen designet til det bestemte kraftværk bestemmes . Med det skal ydeevnen være maksimal med en samtidig gunstig effektivitet . Afhængig af størrelsen på kraftværket er udvidelsesstrømmen designet, så den overskrides omkring 100 dage om året.

Hvorvidt et vandkraftværk er rentabelt, afhænger af omkostningerne, mængderne og de elpriser, der kan opnås for det (se også cost-benefit-forholdet ).

gyldige

I Tyskland beskæftiger Water Management Act (WHG), Environmental Impact Assessment Act (UVPG) og lov om vedvarende energikilder (EEG) sig med vandkraft.

Økonomi

Omkostningerne til et vandkraftværk består af anlæggets og driftsomkostningerne . Systemomkostningerne, også kendt som investeringsomkostninger, består af alle udgifter til konstruktionen af ​​systemet. I modsætning til forbrændingskraftværker, når der genereres energi fra vandkraft, skal der kun betales små eller ingen økonomiske midler for den respektive ressource, da den er tilgængelig på ubestemt tid. Det betyder, at driftsomkostningerne - med undtagelse af pumpekraftværker - for fuldt funktionelle vandkraftværker er meget lave sammenlignet med systemomkostningerne.

Spørgsmålet om rentabilitet afhænger af forholdet mellem anlæggets og driftsomkostningerne og bruttofortjenesten. Samlet set kan det siges, at de afgørende faktorer er systemomkostningerne og udnyttelsesperioden . Vandkraft er for det meste baselast i stand til energiindustrien . I disse tilfælde kan el produceres næsten kontinuerligt, hvilket betyder, at en fortjenesteberegning kan udføres ved hjælp af de aflønningssatser, der er specificeret i EEG. Dybest set har vandkraftværker normalt en meget lang levetid og afskriver meget godt i løbet af deres levetid.

Brug af vandkraft og økologi

Selvom brugen af ​​vandkraft til energiproduktion mest anerkendes som værende særlig økologisk , er det undertiden forbundet med betydelige indgreb i naturen og landskabet. En af de vigtigste naturmonumenter på Rhinen, Kleine Laufen nær Laufenburg, blev sprængt op for det første kraftværk, der krydsede Rhinen. Kraftværket trådte i drift i 1914. Fra Rhinefallen i Schaffhausen (også Großer Laufen ) fra 1887 og fremefter blev der gjort flere bestræbelser på at bruge de ubrugte faldende vandmasser til at generere energi; Bekymringer over landets indgreb forhindrede implementeringen den dag i dag. Et aktuelt eksempel, hvor produktion af energi gennem vandkraft samtidigt betyder en seriøs intervention i et økosystem er Three Gorges Dam ved Yangtze-floden i Kina.

Det europæiske vandrammedirektiv (WFD), der gælder for europæiske lande, definerer kompatibiliteten af ​​interventioner i indenlandske floder. Ud over at opretholde eller forbedre den kemisk-biologiske kvalitet af disse akvatiske levesteder er WFD specifikt dedikeret til de morfologiske parametre. Målstatus blev defineret som den gode økologiske status eller det gode økologiske potentiale, som skal være opnået senest i 2027. Dette har stor indflydelse på definitionen af ​​det udvidelige vandkraftpotentiale . Brug af vandkraft er kun mulig, hvis der tages højde for alle økologiske parametre, herunder at sikre, at der er tilstrækkeligt restvand i vandmassen. Vandkraftprojekter kan kun gennemføres i overensstemmelse med disse økologiske krav. Disse krav skaber et spændingsfelt mellem energiindustrien og økologien, da eksisterende systemer er teknisk tilpasset det godkendte indtagsvandvolumen, og restvandskravene er forbundet med tilsvarende energiske og økonomiske tab. Oprettelse af kontinuitet på eksisterende steder er også forbundet med høje investeringsomkostninger og årsager, v. en. i lille vandkraft, ofte økonomisk kritiske situationer.

Fordele og ulemper ved vandkraft

I reservoirer , gasser, såsom CO ₂ og methan (med 25 gange den globale opvarmning potentiale end CO ₂ er) fremstilles. Mængden afhænger især af vegetationen før dæmningen og søens alder; den falder fra oversvømmelsestidspunktet. Brug af vandkraft frigiver hvert år omkring 48 millioner tons kulstof i form af kuldioxid og 3 millioner ton kulstof i form af metan. Dette er små mængder sammenlignet med den samlede årlige kulstofemission forårsaget af menneskelig brug (ca. 10 milliarder ton kulstof i CO ₂ og 400 millioner ton kulstof i metan), hvilket betyder, at vandkraftværker ikke spiller en vigtig rolle som kulemissioner globalt. Under visse betingelser kan der dog frigøres betydelige mængder kulstof i nogle regioner, for eksempel troperne . På den anden side kan de store vandområder også yde et positivt regionalt bidrag til klimaet gennem fordampning (effekt af fordampningskøling).

Fordele:

• Vand er et af de regenererende råmaterialer, dvs. dvs. det bruges ikke
• Fossile energiressourcer som kul, olie og gas bevares
• Uafhængighed af konventionelle energikilder
• Klimabeskyttelse , da den er lav i CO ₂ ; I tilfælde af opbevaring kraftværker med reservoirer specielt fyldt til dette formål, den klimabeskyttelse eneste effekt dominerer efter flere år eller endda årtier på grund af den ændrede albedo forårsaget af opbevaring søer .
• Systemdele kan genbruges efter afslutningen af ​​driftstiden
• Oversvømmelsesbeskyttelse for dem der ligger nedenunder
• Reservoirer er også reservoirer til drikkevand og til kunstvanding i landbruget
• Vandkraft og variable vedvarende energier supplerer hinanden, hvilket betyder, at behovet for oplagring eller skyggekraftværker kan reduceres

Ulempe:

• Ved at omdirigere vand reduceres vandmængden i vandstrækningen mellem akkumulering og genindføring under vindmøllerne . Denne reduktion til den såkaldte restvandmængde repræsenterer en indgriben i vandbalancen , hvorved der i individuelle tilfælde kan forekomme store ændringer i den økologiske balance.
• Økologisk barriere: fisk og mikroorganismer kan ikke længere udføre deres sædvanlige vandring, eller de dør, hvis de trækkes ind i vindmøllerne.
• Nedsat strømningshastighed på grund af vanddæmning fører til nedsat iltkoncentration og en stigning i vandtemperaturen.
• Det grundvandsspejlet i området ved den nederste kan falde kraftigt, mens den stiger i området ved opmagasinering. Afhængig af arten af ​​sammensætningen af ​​flora og fauna kan dette have skadelige virkninger på deres sameksistens.
• Sedimentation over og øget erosion under spærringen er forbundet med fastholdelse af sediment .
• Når områder i varme regioner og med meget vegetation oversvømmes, fører fordøjelsesprocesser til emission af drivhusgasserne metan og kuldioxid .
• Hvis dæmningen går i stykker, er der risiko for ødelæggelse af levesteder for mennesker og natur.
• Når der oprettes lagerplads, oversvømmes store områder undertiden, hvorved beboelsesområdet for mennesker også går tabt.

mulige løsninger

Der er forskellige måder at observere naturens interesser og vandbeskyttelse på. Den nemmeste måde at beskytte naturen mod interferens på er at afstå fra interferens. Af denne grund bør eksisterende vandkraftværker primært udvides og kun bygges nye, hvor der allerede er dæmninger. Innovative tekniske forbedringer af systemkomponenterne kan øge ydeevnen og samtidig forbedre den økologiske situation. Den videre udvikling består i udskiftning og modernisering af eksisterende systemer. Den vedvarende energikilder lov i Tyskland regulerer aflønning af nye eller moderniserede systemer på en sådan måde, at den økologiske tilstand for vandområdet skal forbedres med bygning eller modernisering.

Derudover skal natur- og vandbeskyttelse altid overholdes. Men så længe der tages hensyn til de miljømæssige relevante aspekter, står der intet i vejen for at opføre nye vandkraftværker. Forskellige design- og kompensationsforanstaltninger gør det muligt at forbedre økologien i en vandmasse.

• Det er bydende nødvendigt at garantere en minimal frigivelse af vand til nedre strækninger og sengens belastning.
• Fiskestiger er hjælp til stigende og nedadgående eller omgå kanaler for fisk. De er blandt de afgørende byggeforanstaltninger.
• Der er nu også teknisk forbedrede møller, der gør det muligt for fisk at passere dem mest uskadede.
• Problemet med det lave iltindhold kan løses med såkaldte "luft" -turbiner, som bringer ilt ind i vandet.
• En udformning af så naturlige vandområder som muligt med strukturel mangfoldighed i oplagringsområdet , f.eks. Gennem dybe og lavvandede zoner, oxbow søer og grusbanker, fører til en naturlig vandprofil og forbedrer levestederne for flora og fauna.
• For ikke at ødelægge landskabet skal systemerne integreres harmonisk i landskabet.

Små vandkraftværker

I mange tilfælde betragtes små vandkraftværker som miljøvenlige . Tilhængere hævder, at systemer, der er professionelt bygget i henhold til de nyeste standarder, ikke forurener vandet, og at nogle af dem er "økologisk opgraderet" ved konstruktion af fiskestiger eller ledsagende foranstaltninger. Kritikere modsætter sig derimod ofte, at små vandkraftværker og tilknyttede indgreb såsom dæmning, barrierer eller reducerede resterende vandmængder, især på grund af deres store antal og spredte fordeling i et vandløb, repræsenterer alvorlige kumulative indgreb i de pågældende økosystemer.

Elektricitet fra kloakker

En helt ny tilgang til den økologisk stort set harmløse anvendelse af vandkraft er brugen af ​​specialdesignede vindmøller til produktion af elektricitet i kloakker, som, selv når de eftermonteres i eksisterende kloakker, ikke forstyrrer landskabet eller forringer fiskeveje. Derudover kan der ved brug af kloakker produceres elektricitet på en decentral måde på grund af den omfattende distribution af kloakker og dermed tæt på potentielle forbrugere.

litteratur

• Valentin Crastan : Elektrisk energiforsyning 2. 2004.
• Vedvarende energi - innovationer for fremtiden. Forbundsministeriet for miljø, naturbeskyttelse og nuklear sikkerhed (BMU), Berlin 2009.
• Jürgen Giesecke, G. Förster: Udvidelse af vandkraft. 1994.
• Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi: Vandkraftværker - planlægning, konstruktion og drift. 3. Udgave. Springer Verlag, 2003, ISBN 3-540-44391-6 .
• Michael Hütte: Økologi og hydraulik: Økologiske principper for vandudvikling og anvendelse af vandkraft. Parey, 2000.
• Patric Jetzer: Vandkraft over hele verden. Carlsen Verlag, 2009.
• Christoph Jehle: Opførelse af vandkraftværker. 5. udgave. VDE Verlag Müller, Heidelberg 2011.
• Georg Küffner: Om kraften i vand. 2006.
• Ulrich Maniak: Hydrologi og vandforvaltning: En introduktion til ingeniører. 6. udgave. 2010.
• Sándor O. Pálffy: vandkraftværker, små kraftværker og mikrokraftværker. 6. udgave. 2006.
• Toni Schmidberger: Det første AC-kraftværk i Tyskland. Bad Reichenhall 1984, trykt af Slavik, Marzoll.
• Bernd Uhrmeister, Nicola Reiff, Reinhard Falters: Red vores floder - kritiske tanker om vandkraft. Pollner Verlag, 1999, ISBN 3-925660-59-3 .

Weblinks

Wiktionary: Wasserkraft  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

• Forbundet for sammenslutning af tyske vandkraftværker V.
• Landesverband Bayerischer Wasserkraftwerke eG
• Vandkraft (BINE Information Service)
• endura informationsplatform
• Vandkraft - Information fra det føderale energikontor (Schweiz)

Individuelle beviser