VGB POWERTECH 7 (2020) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

A journey through 100 years VGB | Hydropower | VGB POWERTECH · Heft 4 (2002)
Entwicklungspotentiale in der Wasserkraft
Abfluss in m 3 /s
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 100 200 300 400
Tage
Bild 10. Dauerlinie für ein Kleinwasserkraftprojekt
an der Würm, Pegel Schafhausen, BW.
W Jahr = g H ∑ Q(t) (Q) ∆t
Der Wirkungsgrad = f(Q) folgt für das jeweilige
Zeitintervall aus der Turbinenkennlinie,
womit die Wahl des Turbinentyps ins
Spiel kommt. Für Niederdruckanlagen in typischen
Flusskraftwerken sind doppeltregulierte
Kaplan- sowie einfachregulierte Propellerturbinen
mit konstanter Drehzahl standardmäßig
im Einsatz. Früher wurden auch
schnellläufige Francis-Turbinen verwendet,
wie man am Umbau Kiebingen als Beispiel
sieht. Das Betriebskennfeld für eine Kaplan-
Turbine liefert bekanntermaßen als Einhüllende
über eine Vielzahl von Propellerkurven
ein großes nutzbares Betriebsgebiet. Die Propellerturbine
hat dagegen nur eine begrenzte
Charakteristik aufgrund des feststehenden
Laufrades. Eine Wirtschaftlichkeitsrechnung
muss zeigen, ob der höhere Preis für eine
Kaplan-Turbine durch die größere erzielbare
Energieproduktion und den daraus resultierenden
Erlös gerechtfertigt ist.
Seit Jahren ist insbesondere mit immer erfolgreicher
werdender Anwendung in der
Windkraft die Frequenzumrichtung eine attraktive
Alternative. Die drehzahlvariable
Turbine kann ebenfalls einen größeren Betriebsbereich
ermöglichen – ähnlich wie eine
Kaplan-Turbine –, ohne dass komplexe Mechanik
notwendig ist. Bild 11 zeigt für
zwei gewählte Drehzahlen unterschiedliche
Schnitte durch das Kennfeld. Der Wirkungsgradgewinn
ist bei kleinen Durchflüssen ganz
erheblich.
TWh
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
Stand: 1999Wasser
19,71
2,65 1,17
M ll
Biomasse
5,53
Wind
Photovoltaik
Bild 12. In das elektrische Netz eingespeiste Energiemengen
im Jahre 1999 (nach [11]).
Mit zunehmender Variation der
Drehzahl nimmt auch der Betriebsbereich
zu. Auch bei der drehzahlvariablen
Turbine ist durch geeignete
Wahl der Drehzahl Drallfreiheit
hinter dem Laufrad erreichbar. Damit
ist auch dieser Turbinentypus in
den Grenzbereichen laufruhiger als
die einfachregulierte Turbine.
Bei der drehzahlgeregelten Turbine
muss allerdings der zusätzliche Verlust
durch die Frequenzwandlung berücksichtigt
werden, weil dieser Verlust
bei den anderen beiden mechanisch
geregelten Maschinen nicht
auftritt. Obwohl mehrere Studien
und Demonstrationsprojekte durchgeführt
wurden [9], die eine erfolgreiche Anwendung
drehzahlvariabler Turbinen insbesondere in
der Kleinwasserkraft erwarten lassen, steht der
eigentliche Nachweis in der Praxis noch aus.
Leistung, Arbeit und Erntefaktor
Gelegentlich entsteht der Eindruck, dass der
Unterschied zwischen Leistung und Arbeit
nicht so klar ist, wie er sein sollte. So wurde
jüngst behauptet, in Deutschland würden
Windkraftanlagen mittlerweile 5 % des gesamten
Energiebedarfs liefern. Wäre das tatsächlich
so, dann würde inzwischen mit der
Windkraft bereits mehr elektrischer
Strom als mit der Wasserkraft erzeugt.
Das ist natürlich (noch) nicht
1
der Fall. Nach Statistik des VDEW 0,8
[11] trug 1999 die Windkraft etwa
1 % zur Stromproduktion bei, die 0,6
Wasserkraft rund 4,5 %, in der
0,4
Summe wären das also 5,5 %.
Addiert man allerdings einfach die
installierte Leistung aller Windkraftanlagen
und vergleicht die
Summe mit der Leistung des restlichen
Kraftwerkparks in Deutschland,
kommt man in der Tat auf
die genannten 5 %. Dass die
Windkraftanlagen jedoch im
Durchschnitt lediglich 15 bis 20 %
der Zeit über laufen, wird dabei
übersehen. Wichtig ist, dass nicht
die installierte Leistung
(in kW), sondern die tatsächlich
geleistete Arbeit
(in kWh) bewertet wird.
Bei der Windkraft unterscheiden
diese sich in der
Bewertung immerhin fast
0,02
um den Faktor 5, wie die
VDEW-Statistiken [11]
auch belegen.
Dabei ist dann immer
noch unberücksichtigt,
dass bei der Windkraft die
Stromproduktion sehr
ungleichmäßig erfolgt,
rel. Wirkungsgrad
0,2
und zwar mit allen Problemen für das elektrische
Netz und die Vorhaltung von Reserveenergie.
Die Wasserkraft ist also entsprechend
Bild 12 nach wie vor die wichtigste regenerative
Energiequelle, die zur Erzeugung
von elektrischem Strom zur Verfügung steht.
In Bayern sind es rund 16 %, in Baden-Württemberg
knapp 8 % und gesamthaft in
Deutschland 4,5 %, die den Beitrag an der
Stromproduktion ausmachen. Dazu kommt
ein relativ gleichmäßiges Energiedargebot als
weiterer Vorteil gegenüber anderen erneuerbarer
Energien. Augenfällig ist der weiterhin
marginale Anteil der Photovoltaik an der
Stromerzeugung in Deutschland.
Besonders eindrucksvoll zeigt sich die Überlegenheit
der Wasserkraft in der Darstellung
des Erntefaktors. Das ist der Energiegewinn
bezogen auf den Energieaufwand, der über
den gesamten Lebensweg bilanziert wird. Bei
gleichem Energieaufwand erhält man demnach
mit einer Wasserkraftanlage rund dreimal
so viel Energie wie mit einer Windkraftanlage
und fast 20 mal so viel wie mit einer
Photovoltaikanlage (Bild 13).
Ein ähnliches Resultat erhält man, wenn man
die Nutzungsdauer von Wind- und Wasserkraftwerken
vergleicht. Bei einem Laufwasserkraftwerk
beträgt die Betriebsdauer 5000
bis 6000 h/a, bei einem Windkraftwerk nur
Nenndrehzahl
n variabel
50 % Nenndrehzahl
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
rel. Durchfluss in Q/Q opt
Bild 11. Propellerkurven bei Veränderung der Drehzahl
(Prinzipskizze).
Erntefaktor
60
50
40
30
20
10
56
0
Wasserkraft
Erntefaktor =
Bild 13. Erntefaktoren regenerativer Energiequellen
im Vergleich (nach [12]).
20
Windkraft
Energiegewinn
Energieaufwand
3
Photovoltaik
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