Aufbau von kleinen Wasserkraft-Systemen - RETS Project

Aufbau von kleinen Wasserkraft-Systemen
Artikel eingereicht von N Packer, Staffordshire University, UK, Juni 2011.
Überblick
Die Sonnenenergie verdunstet Meerwasser, was zu Bildung von Wolken führt. Haben die Tropfen
genügend Masse erreicht, werden Sie als Regen wieder zurück in den Ozean geleitet. Wenn der
Regen über Anhöhen fällt und in schnell fließenden Flüssen oder Bächen kanalisiert wird, hat man
alternativ die Möglichkeit diese Energie zu extrahieren, indem man einen Teil des Fließgewässers
vom Fluss trennt, um mit Wasserkraft-Turbinen/Generatoren Elektrizität zu erzeugen.
Die Definitionen variieren, aber Kleinwasserkraftwerke können in Mini- (

Aus dem Oberwasserbecken gelangt das Wasser in einen Kanal (5), der als "Fallrohrleitung oder
Penstock" bezeichnet wird. Die letzte Etappe seiner Reise geht in die Wasserkraft-Turbine. Wenn ein
Standort eine schwierige Topographie hat oder ökologisch sensibel ist, wird der Kanal manchmal
weggelassen und eine erweiterte Fallrohrleitung führt das Wasser von der Flussgabelung direkt in
das Kraftwerk.
Die Wasserkraft-Turbine und der elektrische Generator sind im Kraftwerk (6) untergebracht.
[In einem Staudamm wird auf einen Oberwasserkanal und eine Druckrohrleitung verzichtet, das
Kraftwerk ist effektiv linear zum Fluss oder Bach.]
Nachdem das Wasser die Turbine durchgeflossen ist, wird das Wasser in den Fluss oder Bach über
einen Kanal zurückgeleitet (7), dieser wird „Abflusskanal“ genannt.
Leistungs- und Energie-Output
Die zwei wichtigsten Messgrößen, die mit der Leistungsabgabe von Wasserkraft Systemen
verbunden werden, sind Durchflussmenge und Druckhöhe. Die Durchflussmenge ist der
volumetrische Durchgang des Wassers Q(m 3 /s) durch die Turbine und die Druckhöhe H(m) ist die
vertikale Distanz die das Wasser vom Versorgungspunkt (d.h. der Eingang der Druckrohrleitung) zum
Turbinenauslauf zurücklegt.
Wasserkraft-Turbinen sind ziemlich effiziente Leistungswandler von Fluidtechnik zu mechanischer
(rotierende Wellen) Energie, die Wirkungsgrade von 70–90 % haben. Die gesamte Leistungsfähigkeit
hängt von dem elektrischen Generator ab, Werte von 50-70 % sind gängig.
Um den Einfluss von Druckhöhe und Durchflussmenge zu veranschaulichen, wird ein vereinfachter
Ausdruck für die elektrische Leistung P(kWe) einer Wasserkraftanlage, die bei einer Auslastung von
60 % arbeitet, verwendet:
P = 5.9 x Q x H (kWe)
Offensichtlich bewirkt die Erhöhung des Druckgefälles (H) und der Durchflussmenge (Q) die
Erhöhung der abgegebenen Leistung und der erzeugten Energie.
Um die Energiegewinnung in Zeiten geringerer Fließgeschwindigkeit in Flüssen, zu maximieren, sind
die meisten Wasserkraft-Turbinen in der Lage, bei Durchflussraten unter den Bemessungsvorgaben
zu arbeiten. Die Leistung wird in diesen Zeiten, wie oben beschrieben, unter dem Durchflusswert
liegen. Eine Schätzung der jährlichen Energieabgabe hängt von einer „äquivalenten“ Gesamtenergie-
Leistung über das Jahr hinweg, ab. Diese Variante berücksichtigt den Parameter „Kapazitätsfaktor“.
Kapazitätsfaktoren für Wasserkraftanlagen variieren in einem Bereich von 40-70 %.
Wenn man das oben beschriebene Beispiel für eine Wasserkraft Turbine mit einem Kapazitätsfaktor
von 55 % verwendet, beträgt die geschätzte jährliche elektrische Energieabgabe E (kWhe/Jahr):

Abschließende Worte:
E = 5.9 x Q x H x 0.55 x 8760
= 28426 x Q x H (kWhe/Jahr)
Die Druckhöhe ist mehr oder weniger festgelegt und wird am besten durch Vor-Ort Messung oder
durch weniger genauere Machbarkeitsstudien, durch topographische Kartierung, bestimmt.
Die Ermittlung der verfügbaren Durchflussrate durch die Turbine ist andererseits variabel und hängt
von einer Reihe von Faktoren ab.
Ganglinien (Fließgeschwindigkeit gegenüber Zeit) und Fließ-Dauer-Kurven (Fließgeschwindigkeit
gegeüber Perzentil Wert oder verstrichener Zeit) werden allgemein dazu genutzt, um den
„oberflächlichen Glanz“ (Fließ-Schwankungen) eines Flusses oder eines Baches zu ermitteln.
In jedem Fall darf der Anteil der Strömung, der für Energieerzeugung genutzt wird, nicht die Region
um den Fluss herum „erschöpfen“ und den Fluss nicht ökologisch schädigen. Aus diesem Grund
werden konsequent umfangreiche, lokale hydrologische und biologische Studien durchgeführt.
Einheiten & Abkürzungen
Volumen: m 3 – Kubik Meter Volumenstrom: Q – m 3 /s Beachte 1m 3 = 1000 Liter
Druckgefälle: Meter (ein vertikaler Abstand)
Energie: kWh (Kilowatt-Stunde)
Leistung: W – Watt kW (Kilowatt) – Tausend Watt MW (Megawatt) – Millionen Watt
Weitere Literatur und Forschungsmaterialien
Leitfaden für Anfänger: Energie und Leistung, N Packer, Staffordshire University, UK
RETS Artikel, Februar 2011.
www.esha.be
www.microhydropower.net
www.british-hydro.org
www.cat.org.uk
www.environment-agency.gov.uk

Neil Packer ist ein Diplom-Ingenieur und Dozent an der Fakultät für Informatik, Ingenieurwesen und
Technologie an der Staffordshire University, UK. Er unterrichtet Thermofluiddynamik und umwelttechnische
Ingenieurwissenschaften seit 20 Jahren und arbeitet als „Low-Carbon“ Berater. Er bietet eine Reihe von
Energie-Dienstleistungen für Unternehmen, Industrie und lokale Behörden an.
Kontakt:
Faculty of Computing, Engineering and Technology
Staffordshire University
Beaconside, Stafford, ST18 0AD
Tel. 01785 353243 E-mail n.packer@staffs.ac.uk
This information was presented as part of the Renewable Energies Transfer System Project (RETS) funded by
INTERREG IVC through the European Regional Development Fund. The project time line is January 2010 to
December 2012. For more information and to take part in our online community visit: http://www.retscommunity.eu/