Wasserwirtschaft und allgemeiner Wasserbau - Institut für ...

Wasserwirtschaft 

und allgemeiner Wasserbau 

LVA 816.110 

HS EH01 Montag, 8:30 – 11:45 

Bernhard PELIKAN 

Department für Wasser – Atmosphäre – Umwelt; 

Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiven Wasserbau – IWHW. 

Universität für Bodenkultur Wien. Muthgasse 18, A-1190 Wien. 

Tel: ++43 – 1 – 36006 – 5513 e-mail: bernhard.pelikan@boku.ac.at Web: http://iwhw.boku.ac.at/

Inhalte und Gliederung Kapitel 7 

Wasserkraftnutzung 

7.1 Grundlagen 

7.2 Anlagentypen und Systematik 

7.3 Entnahmebauwerk – Feststoffabwehr 

7.4 Triebwasserwege 

7.5 EM-Ausstattung 

7.6 Regelung und Überwachung 

Bernhard PELIKAN LVA 816.110 Wasserwirtschaft und allgemeiner Wasserbau WS 2005/2006

7.1 Grundlagen (1) 

7.1.1 Energiewirtschaftliche Begriffe 

Wasserkraft beruht physikalisch auf 2 Komponenten: 

Fallhöhe H (m) und 

Durchfluß Q (m 3 /s) 

Die Leistungsabgabe der Turbine wird berechnet aus: 

P = 

ρ . g. 

η . Q . H 

a 

Mit folgenden Definitionen: 

P a = Leistungsabgabe der Turbine in W 

ρ = Dichte des Wassers in g/cm³ 

g = Gravitationskonstante 

η T = Turbinenwirkungsgrad 

Q a = Ausbaudurchfluß in m 3 /s 

H a = Ausbaufallhöhe in m 

und näherungsweise 

P = Q x H x 7,8 

Bernhard PELIKAN LVA 816.110 Wasserwirtschaft und allgemeiner Wasserbau WS 2005/2006 

T 

a 

a

7.1 Allgemeines (2) 


Wirkungsgrade 

η T 

= Turbinenwirkungsgrad 

η Gen = Generatorwirkungsgrad 

η Getr = Getriebewirkungsgrad 

η Trafo = Transformatorenwirkungsgrad 




Fallhöhe ist definiert als Differenz der Energiehöhen zweier Querschnitte 

im Oberwasser (OW) und Unterwasser (UW). Näherungsweise ergibt sich 

die Fallhöhe als Wasserspiegeldifferenz zwischen OW und UW 

Diese Konzentration kann erreicht werden durch: 

Aufstau 

Ausleitung / Umleitung 

Unterwasseraustiefung 

Rohfallhöhe oder Bruttofallhöhe: jene Höhendifferenz, die sich zwischen 

dem Anfangspunkt und dem Endpunkt Gewässernutzung ergibt. 

Nutzfallhöhe oder Nettofallhöhe: jene Höhendifferenz, die unmittelbar an 

der Turbine wirksam wird. Die Differenz zur Rohfallhöhe ist die Summe der 

Verluste 




Der Ausbaudurchfluß ist jene Größe, für die eine Turbine 

ausgelegt ist. Er sollte das Ergebnis einer Kosten - Nutzen - 

Optimierung sein. 

Der Begriff ist annähernd deckungsgleich mit dem maximalen 

Schluckvermögen der Turbine. 

Wesentlicher Eingangsparameter für die Optimierung ist das 

Abflussregime des genutzten Gewässers. 

Der Ausbaudurchfluß eines Kraftwerkes kann auf mehrere gleich 

oder verschiedenartige Turbinen aufgeteilt sein. 




Die Maximalleistung eines 

Wasserkraftwerkes ergibt 

sich aus Q a und H a. 

Diese Maximalleistung wird 

jedoch nur erreicht, wenn 

der natürliche Zufluß gleich 

dem Q a ist. 

Falls der Ausbaudurchfluß 

nicht zur Gänze zur Verfügung 

steht – und das wird die überwiegende 

Zeit des Jahres sein – 

wird das Kraftwerk im Teillastbetrieb gefahren 




Arbeit oder Arbeitsvermögen = erzeugte kWh 

(berechnet als Summe der Produkte aus Leistung und Zeit) 

Die Erzeugung eines Jahres ist das Jahresarbeitsvermögens in 

kWh/a. 

Graphisch entspricht das Jahresarbeitsvermögen der Fläche 

zwischen der Leistungsdauerlinie und der Zeitachse. 


7.2 Anlagentypen und Systematik (1) 

7.2.1 Unterscheidungsmerkmale 

Abfluß : Fallhöhe – Verhältnis 

Betriebsart 

Hochdruckkraftwerke 

Niederdruckkraftwerke 

Laufkraftwerke 

Speicherkraftwerke 

Bauliches Konzept 

Wehrkraftwerk 

Ausleitungskraftwerk 



7.2.2 Kennzeichen 

Niederdruckanlage Hochdruckanlage 

Ausbaudaten: großer Durchfluß kleine Fallhöhe 

kleiner Durchfluß große Fallhöhe 

Kraftwerkstyp: Laufkraftwerk Lauf- oder Speicherkraftwerk 

Wehr- oder 

Ausleitungskraftwerk Ausleitungskraftwerk 

Stauanlage: Wehranlage Wehranlage oder Talsperre 

(fest od. beweglich) 

dient dem Aufstau dient Aufstau, ev. Speicherung 

Wasserspiegel konstant Wasserspiegel ev. schwankend 

Betrieb: Turbinendurchfluß = Turbinendurchfluß = / > / < 

natürlicher Zufluß natürlicher Zufluß 




Wasserfassung: Einlaufbauwerk meist/häufig Tiroler Wehr 

Einlaufschwelle = (liegender Grundrechen) 

Grobrechen, Tauchwand Kies- und Sandfang 

Absetzbereich Feinrechen und Einlauf 

Triebwasserweg:optional, bei Ausleitung zwingend 

im OW: offener/gedeckter im OW: offener/gedeckter 

Triebwasserkanal TW-kanal, Druckrohr 

Druckstollen 

ev. Wasserschloß 

im UW: offener/gedeckter im UW: offener/gedeckter 

Triebwasserkanal Triebwasserkanal 




Krafthaus: Feinrechen 

Verschlußschützen Rohrverschlußorgan 

Turbine Turbine 

Generator und Regelung Generator und Regelung 

Turbinen: Kaplan, Francis-Schacht Pelton, Francis-Spiral 

Durchström Durchström 

Unterwasser: ev. Austiefung 

Fischaufstieg: Aufstiegshilfen sinnvoll Aufstiegshilfen bedingt 

sinnvoll 

Entnahmestrecke: nur bei Ausleitung immer 

Rückstauraum: im Flußschlauch meist unbeträchtlich 

mit Rückstaudämmen oder Stausee 



Salzachkraftwerk St. Veit 

ND-Laufkraftwerk, Wehr 

Jahreserzeugung: 67,0 Mio kWh 

Max. Leistung:16.500 kW 

Turbinen: 2 Kaplan-Rohrturbinen 

Mittlere Rohfallhöhe: 10,4 m 

Ausbaudurchfluß: 183 m³/s 

Drei Wehrfelder 

Stauraumlänge 3,1 km 

Bauzeit 1987-90 



Salzachkraftwerk St. Veit 



Draukraftwerk Rosegg 

ND-Laufkraftwerk, Ausleitung 


Max. Leistung: 80.000 kW 

Turbinen: 2 Vertikalachs. Kaplan 



Vier Wehrfelder 

Stauraumlänge: 15,5km 

Bauzeit: 1970-74 



Kraftwerk Schwarzach 

MD-Kraftwerk, Ausleitung, 

Tagesspeicher 

JAV: 338 Mio kWh 


4 Francis Spiralturbinen 

Mittlere Rohfallhöhe: 140 m 


Bauzeit: 1970-74 









Speicherkraftwerk 

Mayerhofen 




Mayerhofen 




Mayerhofen 



Spezielle Bauformen von Laufkraftwerken 

Pfeilerkraftwerk Lavamünd 

Lauf/Schwellkraftwerk 



3 vertikalachsige Kaplanturbinen 



4 Wehrfelder 

Stauraumlänge: 6,1 km 

Bauzeit1942-49 



Spezielle Bauformen von Laufkraftwerken 

Überströmbare Kraftwerke 

KW Wallnerau - Unterwasser 



Sonderformen 

Pumpspeicherkraftwerke 

(Roßhag in Tirol) 



Sonderformen 

Gezeitenkraftwerk 



Sonderformen 

Gezeitenkraftwerk St. Malo 

1966 wurde das Kraftwerk als bis dahin einziges Gezeitenkraftwerk der 

Welt eingeweiht. 

Ein 750 Meter langer Damm trennt die Rance vom Meer ab und staut 

sie zu einem 22 Quadratkilometer großen See auf. 

Jeweils beim Gezeitenwechsel laufen 

etwa 180 Millionen m³ Wasser über 

die 24 Kaplan-Rohrturbinen (5,35 m) 

Leistung: 240 MW 

JAV: 540 GWh 

Das Werk liefert etwa 8% des bretonischen Stroms. 


7.3 Entnahmebauwerk und Feststoffabwehr (1) 

Maßnahmen und Bauwerke : 

Position im Flußlauf 

Grobrechen (u.U. mit Rechenreinigung) 

Tauchwand (Schwimmbäume) 

Schwellen (Kragschwellen) 

Sand- und Kiesfänge 

Feinrechen (zumeist mit Rechenreinigung) 



7.3.1 Position im Flußlauf 

Zweck: Ausnutzung strömungsbedingter und 

morphologischer Mechanismen 

Ziel: kein oder geringer Feststoffandrang 

Vorgehensweise: Anordnung des Einlaufes am Außenufer 

(entweder natürlich oder künstlich [durch Buhnen]) 

Nachteil: verstärkter Andrang von Schwimmstoffen 



7.3.2 Grobrechen 

Zweck: Abwehr von groben / großen Schwimmstoffen 

Schutz des Feinrechens 

Ausführung: früher Holz, heute zumeist Stahl (rund oder flach) 

Einbau: zumeist senkrecht 

Stababstand: 20 bis 50 cm 



7.3.3 Tauchwand 

Zweck: Abwehr oberflächlich schwimmender Stoffe 

Vertikaler flächiger Bauteil, der etwa 15 – 25 cm ins Wasser eintaucht 

Zumeist in Kombination mit dem Grobrechen 

Ausführung aus: Beton, Holz (auch als schwimmende Tauchwand) 

Früher ausgeführt als Schwimmbaum 



7.3.4 Schwellen 

Zweck: Abwehr von Geschiebe 

Konstruktion: Höhenstufe in der Sohle, die das rollende 

Geschiebe nicht überwinden kann 

Position: vor Grobrechen oder Feinrechen 

Höhe: 30 bis 100 cm 

Sonderform: Kragschwelle 



7.3.5 Sand- und Kiesfänge 

Zweck: Sammlung und Rückführung von Geschiebe 

Konstruktion: beckenförmige Erweiterungen des Abflußquerschnittes 

zur Verringerung der Fließgeschwindigkeit 

Ziel: Absetzung jener Kornfraktion, die bei 

Maschinendurchtritt zu Beschädigung führen muß 

Position: vor Einlauf in Turbine oder Rohrleitung 

Spülung: entweder nach Bedarf (händisch, automatisch) oder in 

vorgegebenen Zeitabständen 

Bei überdurchschnittlichem Geschiebeandrang werden mehrere 

Becken (Schotterfang, Kiesfang, Sandfang) hinter einander angeordnet. 



7.3.6 Feinrechen 

Zweck: Entfernung kleinerer Schwimmstoffe zum Schutz der 

Turbine 

Konstruktion: zumeist vertikale Rechenstäbe (Rechteckquerschnitt), 

eventuell auch strömungsgünstig abgerundet 

Stababstand: abhängig von Turbinengröße und –art. (2 – 5 cm) 

Einbau: Einzelne flächige Rechenelemente, die auf Trägerrost 

angeordnet werden. 

Reinigung: händisch oder meist mit Rechenreinigungsmaschine 

Sonderformen: Horizontalrechen, Radialrechen 



7.3.6 Feinrechen 

Rechenreinigungsmaschinen 

Zweck: Freihaltung des Querschnittes 

Vermeidung von Fließverlusten 

automatischer bedarfsorientierter 

Betrieb 

Antrieb: motorisch, hydraulisch 

Steuerung: regelmäßige Zeitabstände 

Wasserspiegeldifferenz 

Rechenguttransport: 

Spülwasser 

Förderband 



7.3.1.6 Feinrechen 

Rechenreinigungsmaschinen 


7.4 Triebwasserleitung (1) 

Offener Triebwasserweg 

oder 

Geschlossener Triebwasserweg 



7.4.1 Offener Triebwasserweg 

Erdkanäle (Trapez, Mulde) 

unausgekleidet 

ausgekleidet (Asphalt, Beton, Steinsatz) 

Betonquerschnitte (Trapez, Rechteck) 


7.4.2 Geschlossener 

Triebwasserweg 

Rohrmaterial: 

Stahl, 

Sphäroguß, 

PE, PVC, GFK, 

Beton, Holz 




7.4.2 Geschlossener Triebwasserweg 

Freispiegelleitung (Rohr, Stollen) 

Druckrohrleitung (Trapez, Rechteck) 


7.5 Elektromaschinelle Ausstattung (1) 

Zur EM-Ausstattung zählen: 

Wasserkraftmaschine 

Generator 

Getriebe 

Transformator 



7.5.1 Wasserkraftmaschinen 

Turbinen 

Pumpen 

Wasserräder 

Wasserkraftschnecken 

Turbinen: wandeln Lageenergie des Wassers in mechanische 

Rotationsenergie um 

Kennzeichnend für Wirkungsweise, Einteilung und Bauart der 

Wasserturbinen sind: 

Gefälle 

Durchflussrichtung 

Beaufschlagung des Laufrades 



7.5.1.1 Turbinen - Allgemeines 

Überdruckturbinen 

Wasserdruck übt Kraft auf Laufradfläche aus 

Bestandteile:Leitapparat, Laufrad, Saugrohr 

kraftschlüssige Verbindung OW UW 

überwiegende Teil der Druckhöhe am Laufrad in Rotation umgesetzt 

Saughöhe: Höhenunterschied zwischen Laufrad und 

Unterwasserspiegel ist nutzbar 

Ausführungsformen: Kaplanturbine, Francisturbine 



7.5.1.1 Turbinen - Allgemeines 

Freistrahlturbinen (Impulsturbinen) 

Wasserdruck wird in kinetische Energie in Form eines 

Hochgeschwindigkeits - Wasserstrahles umgewandelt, der die Becher 

trifft, die am Außenring des Laufrades sitzen 

Düse + in geschlossenem Gehäuse gelagertes Laufrad, keine 

kraftschlüssige Verbindung zum UW 

Ausführungsform: Peltonturbinen 

Beaufschlagung nur auf einem Teil des Laufrades 



7.5.1.2 Abhängigkeit von Q und H 



7.5.1.2 Abhängigkeit von Q und H (Kleinturbinen) 



7.5.1.3 Wirkungsgrade 

Differenz zwischen 

theoretisch vorhandener 

Energie und nutzbringend 

umgewandelter Energie 

(in Rotation) = 

Wirkungsgrad der Turbine 

η t = P eff. / P theo. 



7.5.1.4 Kaplanturbine 

Überdruckturbine im Niederdruckbereich 

achsiale Anströmung und Abströmung des Laufrades 

Laufrad und Leitapparat 

einfach oder doppelt reguliert 

Bauarten: 

Vertikal achsig - klassische Aufstellung 

Horizontal achsig - oder leicht schräge Aufstellung als Rohrturbine 

Propellerturbine (nur Leitrad reguliert) 

S-Rohrturbinen (Generator auf Welle aus dem Gehäuse geführt) 

Kegelrad-Rohrturbine (Kegelradgetriebe, Generator normal auf 

Turbinenachse) 

Straflo - Rohrturbine 


7.5 Elektromaschinelle 5.4 Wasserkraftmaschinen Ausstattung (8) (9) 



7.5 Elektromaschinelle 5.4 Wasserkraftmaschinen Ausstattung (9) (10) 







7.5.1.5 Francisturbine 

radial von außen nach innen durchströmte und axial ausströmende 

Überdruckturbinen 

mit horizontaler / vertikaler Welle 

hohes Gefälle Überschneidung mit der Peltonturbine 

niedriges Gefälle Überschneidung mit der Kaplanturbine 

einfach regulierbar 

am bestem bei eher gleichmäßigem 

Wasserdargebot 









7.5.1.6 Peltonturbine 

Freistrahlturbine 

Einsatzbereich: geringe Durchflüsse bei großen Fallhöhen 

Tangentiale Anströmung 

Düsenanzahl: 

in Abhängigkeit von Q 

Zwischen 1 und 8 



7.5.1.6 Peltonturbine 

Bei kleinen Fallhöhen 

horizontalachsig 

Bei großen Fallhöhen 

vertikalachsig 



7.5.1.7 Sonstige Wasserkraftmaschinen 

Wasserräder 

Wasserkraftschnecken 



7.5.2 Generatoren 

Gleichstrom 

Wechselstrom 



7.5.3 Getriebe 

einstufig 

mehrstufig 



7.5.4 Transformator 

einstufig 

mehrstufig 


7.5.4 Transformator 

einstufig 

7.6 Regelung und Überwachung (1) 

mehrstufig

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