Technik

Alle wichtigen Technischen Fragen im Überblick

 

Seit Jahrtausenden ist der Mensch bemüht, die Kraft des Wassers zu nutzen. Am Beginn stand das einfache Schaufelrad, heute haben wir Kraftwerke mit modernster Technologie. Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten (Fallhöhe, Wassermenge) gelangen unterschiedliche Typen von Kraftwerken und Turbinen zum Einsatz.

 

Österreich besitzt neben seinem großen Wasserkraftpotential auch eine Vielzahl von kompetenten und erfolgreichen Unternehmen, die direkt oder indirekt in der Wasserkraftbranche tätig sind. Viele dieser Unternehmen trumpfen mit enormem Know-How auf und genießen auch international hohes Ansehen. Diese werden von einem weiteren Ausbau der Kleinwasserkraft sicherlich ebenso profitieren wie die Bauwirtschaft und das Klima.

Wasserkraftwerksarten

Welche Arten von Wasserkraftwerken gibt es?

 

Wasserkraftanlagen lassen sich nach drei Kriterien unterscheiden – nach der Betriebsweise, dem Anlagenkonzept oder dem Verhältnis von Ausbaudurchfluss QA zur genutzten Fallhöhe.

 

Betriebswirtschaftlich unterscheidet man:

  • Laufkraftwerke: Sie nützen das Wasser „dargebotsmäßig“ aus, d. h. sie folgen der im Jahresablauf schwankenden Wasserführung.
  • Speicherkraftwerke: Sie sammeln den unregelmäßigen Zufluss eines Tages, einer Woche oder eines Jahres in einem Speicherbecken. Von dort aus wird das Betriebswasser je nach Erfordernis „bedarfsabhängig“ an die Turbinen geleitet. Je nach Größe und Betriebsfunktion eines Speicherbeckens spricht man von einem Kurzzeitspeicher (Tages-, Wochenspeicher) oder einem Langzeitspeicher (Jahres-, Saison, in Österreich meist Winterspeicher).

 

Nach dem Verhältnis von Ausbaudurchfluss QA zur genutzten Fallhöhe unterscheidet man:

  • Niederdruckanlagen: Sie arbeiten mit großen Wassermengen und kleiner Fallhöhe (bis etwa 10 Meter).
  • Mitteldruckanlagen: Sie verfügen über Fallhöhen von etwa 10 bis 100 Meter, die einen mittleren Wasserzufluss nutzen.
  • Hochdruckanlagen: Dank größerer Fallhöhe (über 100 Meter) bewirkt bei ihnen auch ein kleinerer Abfluss beträchtliche Leistungen.

 

Die Grenzwerte für die Fallhöhe sind dabei als ungefähre Richtwerte zu verstehen. So gilt eine Anlage mit 0,1 m3/s (100 l/s) schon mit 50 m Fallhöhe als Hochdruckanlage, während eine Anlage mit QA = 10 m3/s bei 150 m Fallhöhe noch eine Mitteldruckanlage ist.

 

Schema für die Einteilung von Wasserkraftwerken

Kraftwerkstyp

Fallhöhe

Anlagenverhältnis

Betriebsart

Niederdruck

bis etwa 10 m

Stau-KW

Laufwerk

Mitteldruck

etwa 10 - 100 m

Ausleitungs-KW

Laufwerk

Hochdruck

über etwa 100 m

Ausleitungs-KW

Lauf- oder Speicherwerk

Die Tabelle liefert eine Übersicht über die genannten Einteilungen.

Ausbaupotentiale

Österreich verfügt über ein theoretisches Gesamtpotential für die Stromerzeugung aus Wasserkraft von 75,1 TWh/a. Technisch-wirtschaftlich sinnvoll nutzbar sind 56,1 TWh/a (~75%). Davon werden aktuell rund 40,1 TWh/a genutzt, was ein technisch-wirtschaftliches Restpotenzial von 16 TWh/a bedeutet. Zieht man die aus ökologischer Sicht keinesfalls für eine Wasserkraftnutzung geeigneten Flussabschnitte in Nationalparks ab, bleibt ein reduziertes Potential von 11 TWh. Nach Abzug von Gewässern in sehr gutem Zustand und Natura 2000-Gebieten ergibt sich ein Neuerschließungspotenzial von mindestens 6 TWh/a (siehe Abbildung 1). Davon liegen rund 3 TWh im Bereich der Kleinwasserkraft.

 

Der weitere Ausbau der Kleinwasserkraft ist rechtlich klar geregelt und Genehmigungen für den Neubau werden nur bei der Einhaltung strenger ökologischer Kriterien erteilt. Neben dem Neubau liegen auch große Potentiale einerseits an den vielen Querbauwerken die für den Hochwasserschutz benötigt werden, und andererseits in der Revitalisierung von bestehenden Anlagen. Durch die Erneuerung der Anlagen in diesen Gewässerabschnitten wird meist auch die Umweltsituation an den Gewässern deutlich verbessert, indem die Querbauwerke für Fische durchgängig gemacht werden oder die Gewässer naturnaher gestaltet werden

 

Wie groß ist das Potenzial für die Modernisierung alter Kleinwasserkraftwerke im Vergleich zum Neubau?

Um das Ziel von 100 % Ökostrom bis 2030 zu erreichen, muss es einen Zubau von 27 TWh Ökostrom durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien in Österreich geben. Dabei entfallen 5 TWh auf die Wasserkraft gesamt, wobei bei der Kleinwasserkraft noch ein Ausbaupotential von 3 TWh besteht. Das Potential durch die Modernisierung alter Kleinwasserkraftwerke ist dabei mit circa 1,5 TWh in etwa gleich groß wie das Potential des Neubaus. Der Vorteil der technischen Modernisierung liegt darin, dass der Standort falls nötig auch ökologisch saniert wird und die Durchgängigkeit für Fische dadurch wiederhergestellt wird.

Leistungsbegriffe

Welche Leistungsbegriffe gibt es?

 

Man kann eine Vielzahl elektrizitätswirtschaftlicher Leistungsbegriffe unterscheiden. Für Wasserkraftanlagen sind folgende Leistungsbegriffe die wichtigsten:

 

Nennleistung (PN)

Als Nennleistung wird die vom Hersteller angegebene ("genannte") Leistung eines Gerätes oder einer Anlage (Turbinen, GeneratorWärmekraftmaschine) bezeichnet, die diese aufnehmen oder abgeben können. Die Nennleistung eines Maschinensatzes ist gleich der Nennleistung des leistungsschwächsten Teils des Maschinensatzes. Normalerweise wird der Begriff der Nennleistung bei Wasserkraftwerken nur für einzelne Maschinen und Maschinensätze verwendet.

 

Ausbauleistung (PA)

Die Ausbauleistung eines Laufwasserkraftwerks ist die mit dem Ausbaudurchfluss bei der Kraftwerks-Ausbaufallhöhe erzielbare Leistung. Bei Speicher- und Pumpspeicherwerken wird eine Ausbauleistung nicht definiert.

 

Engpassleistung (PM)

Unter Engpassleistung versteht man in der Elektrizitätswirtschaft die maximale Dauerleistung, die ein Elektrizitätswerk unter Normalbedingungen abgeben kann. Sie wird durch den schwächsten Anlagenteil (Engpass) begrenzt. Die Brutto-Engpassleistung ist die insgesamt erbrachte Leistung, von der nach Abzug des für den Betrieb des Kraftwerks nötigen Eigenbedarfs die Netto-Engpassleistung zur Verfügung steht. Bei Laufwasserkraftwerken ist die Engpassleistung vielfach die Ausbauleistung. Bei Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken ist sie die höchste ausfahrbare Leistung bei maximaler Fallhöhe.

 

Installierte Leistung

Die Installierte Leistung ist ein Begriff aus der Elektrizitätswirtschaft. Sie kennzeichnet die maximale elektrische Leistung der in einem Elektrizitätswerk installierten Generatoren bzw. die in einem Land oder einem Staat installierte Gesamtleistung aller Elektrizitätswerke. Sie wird in MW (Megawatt) oder GW (Gigawatt) angegeben.

 

Nur bei den in Grundlast laufenden Kraftwerken kann aus der installierten Leistung auf die energetische Jahresabgabe ins Netz (in GWh angegeben) geschlossen werden. Dabei müssen bei Wärmekraftwerken die anfallenden Eigenbedarfe in Höhe von 5 – 10 % und die Ausfälle durch Revisionen in Höhe von 10 – 15 % berücksichtigt werden. Bei den in Grundlast laufenden Laufwasserkraftwerken müssen die Verluste durch wetterbedingte Niedrigwasserstände, Revisionsarbeiten oder Eisgang eingerechnet werden.

 

Bei Wasserkraftwerken, die auf die Deckung von Spitzenlast ausgelegt sind, können aus der installierten Leistung keine Rückschlüsse auf die Dauerausbeute gezogen werden; manche davon können aufgrund des geringen Wasserzuflusses pro Tag nur einige Minuten betrieben werden. Andere könnten zwar technisch wesentlich mehr zur Grundlast beitragen, werden aber nur für die Spitzenlasten benötigt und zugeschaltet. Pumpspeicherkraftwerkeverbrauchen sogar elektrische Leistung, um für den Spitzenbedarf „aufgeladen“ zu werden.

 

Gesicherte Leistung (PC )

  • Die gesicherte Leistung (PC ) eines Laufwasserkraftwerks ist diejenige Leistung, die an 330 Tagen des Regeljahres überschritten wird.
  • Die gesicherte Leistung eines mit Kurzzeitspeicher (Tages- oder Wochenspeicher) ausgestatteten Wasserkraftwerks ergibt sich durch seine Leistungsverlagerungsfähigkeit. Als gesicherte Leistung gilt deshalb jene Tageshöchstleistung, die an 330 Tagen des Regeljahres überschritten wird.
  • Die gesicherte Leistung eines Speicherkraftwerks (Saison- oder Jahresspeicher) ist die höchste Leistung, die das Speicherkraftwerk bei einem Betriebsinhalt von 10 % des Betriebsraums ausfahren kann.
  • Die gesicherte Leistung eines Pumpspeicherkraftwerks ist die mittlere Leistung.

 

Betriebsleistung (PB )

Die Betriebsleistung (Momentanwert, Zeitangabe erforderlich) ist die tatsächlich gefahrene Leistung.

 

Verfügbare Leistung (PV )

  • Die verfügbare Leistung (Momentanwert, Zeitangabe erforderlich) eines Laufwasserkraftwerks ist die aufgrund des technischen Zustands der Anlage und der wasserwirtschaftlichen Einflüsse erreichbare Leistung.

  • Die verfügbare Leistung eines Speicher- oder Pumpspeicherkraftwerks ist die zum jeweiligen Zeitpunkt aufgrund des Zustands der Anlage und der Fallhöhe erreichbare Leistung. Für eine längere Zeitspanne ist für die verfügbare Leistung (Mittelwert über diese Spanne) die mittlere Fallhöhe zugrunde zu legen.

 

Bereitschaftsleistung (PB )

Die Bereitschaftsleistung (Momentanwert, Zeitangabe erforderlich) ist die Differenz aus der verfügbaren Leistung und der Betriebsleistung.

 

Hydraulisch verfügbare Leistung (PVH )

  • Die hydraulisch verfügbare Leistung eines Laufwasserkraftwerks ist die zu einem bestimmten Zeitpunkt unter den jeweiligen Bedingungen von Zufluss und Fallhöhe erreichbare Leistung ohne Berücksichtigung von technischen Nicht-Verfügbarkeiten.
  • Die hydraulisch verfügbare Leistung eines Speicher- oder Pumpspeicherkraftwerks ist die zu einem bestimmten Zeitpunkt bei der jeweiligen Fallhöhe erreichbare Leistung ohne Berücksichtigung von technischen Nicht-Verfügbarkeiten.

Technische Energiebegriffe

Welche technischen Energiebegriffe gibt es?

 

Primärenergie ist die vom Menschen nicht beeinflusste, ursprüngliche Art der Energie. Primärenergieträger sind beispielsweise Wasserkraft, Kohle, Erdöl, Erdgas, Kernbrennstoffe, die elektromagnetische Wellenstrahlung der Sonne, Erdwärme oder Wind.

 

Sekundärenergie nennt man die nach einer Energieumwandlung aus Primärenergie entstandenen Energieformen. Sekundärenergieträger sind Heizöl, Benzin, Koks (aus Steinkohle entstanden), Briketts (aus Braunkohle entstanden) und selbstverständlich Strom.

 

Ein Teil dieser Sekundärenergieträger wird nicht weiter in andere Energieformen umgewandelt. Er wird als Chemierohstoff für Kunststoffe, Farben, Arzneimittel und dergleichen eingesetzt.

 

Endenergie ist diejenige Energieform, die der Verbraucher erwirbt. Sie besteht zum größten Teil aus Sekundärenergieträgern, aber auch aus Primärenergieträgern wie Kohle und Erdgas.

 

Nutzenergie ist die Energieform, die der Verbraucher haben will. Als Beispiele seien Licht, Wärme und mechanische Energie zum Antrieb von Maschinen genannt.

 

Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie nicht verloren gehen, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dennoch spricht man technisch von Energieverlusten, da auf dem Weg von der Primär- zur Nutzenergie ein Teil der Energie „verloren" geht. Einerseits kann der Energieinhalt nicht voll genutzt werden - eine Glühlampe wandelt nur einen Teil der elektrischen Energie in Licht, den weitaus größeren Teil in Wärmeenergie um -, andererseits muss Energie für die Umwandlung und den Transport aufgewendet werden. Der Prozentsatz, zu dem die zugeführte Energieform in die gewünschte Energieform umgewandelt wird, heißt Wirkungsgrad.