Laufwasserkraftwerke
Für das Laufwasserkraftwerk, welches eine Weiterentwicklung der historischen Bauart der Wassermühle darstellt, existieren verschiedene Bezeichnungen. Ebenfalls gängige Fachbegriffe für dieses spezielle Wasserkraftwerk sind Laufkraftwerk oder Flusskraftwerk. Die Besonderheit dieses Kraftwerkes liegt darin, dass keine Speichermöglichkeit für das Betriebswasser vorhanden ist. Das bedeutet, für die Stromerzeugung muss dauerhaft Wasser in Bewegung sein und durch das Kraftwerk fließen. Aus diesem Grund kann diese spezielle Kraftwerksart lediglich an Flüssen erbaut werden.
In dem Laufwasserkraftwerk befindet sich eine Wasserturbine, durch welche das fließende Wasser geleitet wird. Die Wasserturbine wandelt dabei die potenzielle Energie des Wassers in eine mechanische Drehbewegung um. Das bedeutet, dass eine Drehung der Turbinenwelle erzeugt wird. In den meisten Fällen dient die Drehbewegung der Turbine zum Antrieb eines Generators, der wiederum der Stromerzeugung dient.
Einen entscheidenden Einfluss auf die Fließbewegung und somit auf die letztendlich erzeugte Menge Strom haben sowohl der Durchfluss als auch die Gefällehöhe. Um diese Einflussfaktoren zusätzlich steigern zu können, wird mit Hilfe einer Wehranlage das Flusswasser gestaut. Dadurch bildet sich wiederum ein Stausee an der flussaufwärts gelegenen Seite der Wehranlage. Dieser wird auch als Rückstauraum bezeichnet. Die installierte Leistung und das Arbeitsvermögen des Laufwasserkraftwerks werden zum einen durch die Fallhöhe, also den Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser und zum anderen durch die Ausbauwassermenge bestimmt. An dem Austritt der Wasserturbine befindet sich ein Diffusor, der im Prinzip wie eine umgekehrte Düse funktioniert. Mit Hilfe des Diffusors wird die Flüssigkeitsströmung verringert wo hingegen der Flüssigkeitsdruck erhöht wird. Durch diesen Diffusor an der Wasserturbine wird nun zwar der Wirkungsgrad der Anlage vergrößert, insofern ein Höhenunterschied vorhanden ist, allerdings steigt die Gefahr von Turbinenschäden. Denn durch die Druckschwankungen können sich im Wasser Hohlräume bilden und wieder auflösen.
Im Detail funktioniert das Laufwasserkraftwerk wie folgt: Das Wasser in dem Stauraum wird durch eine Stauanlage auf einem möglichst hohen Niveau der potenziellen Energie gehalten. Sobald das Wasser indem Stauraum abfließen kann, trifft es auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad und gibt die potenzielle Energie ab. Als Antrieb für den Generator werden in der Regel Kaplan- oder Francis-Turbinen verwendet. Die potenzielle Energie wird dann in Bewegungsenergie umgewandelt. Dadurch entsteht die Drehbewegung mit einem hohen Drehmoment. Das Drehmoment wird im Anschluss direkt oder über ein Getriebe am die Welle des Generators weitergeleitet, der die mechanische Energie dann in elektrische Energie umwandelt. Auf diese Weise wird der elektrische Strom, welcher ebenfalls als elektrische Energie bekannt ist, hergestellt. Die Stromerzeugung erfolgt durchgehend und wird nicht unterbrochen, weshalb mit dem Strom aus den Laufwasserkraftwerken vor allem die Grundlast gedeckt wird.
Faktoren, die die Leistung der Kraftwerke ausschlaggebend beeinflussen können, sind Hoch- und Niedrigwasser. Denn bei einem auftretenden Niedrigwasser verringert sich der Durchfluss. Bei Hochwasser hingegen verringert sich die Fallhöhe, da der Wasserspiegel unterhalb der Anlage steigt. Deutliche Unterschiede bei der Stromproduktion zeigen sich auch in Bezug auf die Jahreszeiten. Im Winter führen die Flüsse in der Regel weniger Wasser, wodurch im Winter weniger elektrische Energie als im Sommer erzeugt wird. Laufwasserkraftwerke zeichnen sich durch eine vergleichsweise kostengünstige Stromproduktion aus. Denn zum einen sind die Turbinen meist gut ausgelastet und zum anderen weisen diese Kraftwerke geringe Betriebskosten auf.
Laufkraftwerke in Deutschland haben eine vorinstallierte Leistung von 4.215 Megawatt. Sie können in ungefähr 4.430 Stunden eine Menge von 18,6 Terrawattstunden Strom liefern.
Aufgrund der meist geringen Fallhöhe bei den Laufwasserkraftwerken werden diese des Weiteren den Niederdruckkraftwerken zugeordnet. Die Leistung ergibt sich meistens erst durch große Durchflussmengen. Außerdem ist die Regelung von Durchfluss und Stromproduktion nur in wenigen Fällen möglich. Die Laufwasserkraftwerke unterscheiden sich in ungleiche Typen.
Laufkraftwerke mit Schwellbetrieb sammeln das Wasser über mehrere Stunden im Stauraum, bevor es in die Turbinen weitergeleitet wird. Auf diese Weise kann die Leistung erhöht werden, denn das potenzielle Niveau des Wassers im Stauraum steigt mit der Zeit, in der es gestaut wird. Zudem ist bei diesen Kraftwerken eine Möglichkeit zur Regelung geschaffen.
Eine weitere Unterart der Laufwasserkraftwerke ist das Ausleitungskraftwerk. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass das aufgestaute Wasser über einen Kanal oder Stollen zum Krafthaus geleitet wird. Das Krafthaus steht nicht direkt in der Wehranlage, welche für die Wasserstauung zuständig ist. Diese Vorgehensweise dient der Erweiterung der Fallhöhe durch eine Verkürzung des Flusslaufs. Ein Beispiel für eine solche Anlage ist das Inn-Kraftwerk bei Imst.
Trinkwasserkraftwerke werden, genauso wie die Buchtenkraftwerke, ebenfalls den Laufwasserkraftwerken zugeordnet. Die Buchtenkraftwerke sind häufig zu finden und werden vorrangig an künstlich angelegten Buchten eines natürlichen Flussverlaufs gebaut. Möglich ist allerdings auch die Erbauung an einer geschiebefreien Außenseite einer Flusskrümmung. Dabei wird der Flussquerschnitt nicht verengt. Ohne eine zusätzliche Einflussnahme auf den Flussverlauf durch die Anlage künstlicher Buchten haben Hochwässer, sollten diese auftreten, die Möglichkeit, natürlich und sicher abzufließen. Buchtenkraftwerke entstehen meist als Sonderformen der Blockbauweise.
Das Wasserwirbelkraftwerk gehört gleichfalls den Laufwasserkraftwerken mit Schwellbetrieb an, wie die bereits genannten Unterarten auch. Das Wasserwirbelkraftwerk ist so konstruiert, dass dem fließenden Wasser mithilfe einer kurzen Rampe, die in der Regel aus Beton besteht, Wasser abgezweigt wird. Dieses abgezweigte Wasser wird anschließend in einem kreisrunden Betonbecken, welches zusätzlich über einen Abfluss verfügt, aufgefangen. Über der Abflussöffnung bildet sich ein Wasserwirbel, der wiederum einen speziell geformten Wirbelrotor antreibt. Durch die Bewegung des Wassers in dem Wirbel entsteht eine Drehkraft, mit der Strom erzeugt werden kann. Bei den Wasserwirbelkraftwerken handelt es sich um die kleinsten Formen eines Kleinwasserkraftwerks.
Laufwasserkraftwerke arbeiten jedoch nicht ausschließlich mit einem Schwellbetrieb. Zu den Laufwasserkraftwerken ohne Schwellbetrieb gehören neben den Strom-Bojen und den Wasserkraftschnecken die Schachtwasserkraftwerke.
Eine besondere Form ist die Strom-Boje, denn diese wird einfach in den Fluss gesetzt. Dabei handelt es sich also um ein schwimmendes Strömungskraftwerk. Das bedeutet, dass eine derartige Boje auch an solchen Flussabschnitten eingesetzt werden kann, an welchen herkömmliche Laufwasserkraftwerke nicht entstehen können. Zudem wird durch die Strom-Boje das Landschaftsbild nicht verändert und die Umwelt beeinträchtigt. In der Zukunft sollen die Bojen auch in Meeren zum Einsatz kommen und die Strömungsenergie nutzen.
Ebenfalls flexibel einsetzbar sind die Wasserkraftschnecken. Diese können auch bei Flüssen eingesetzt werden, die geringe Wassermengen oder auch geringe Höhenunterschiede aufweisen. Die Verwendung in Flüssen mit einem großen Höhenunterschied ist auch nicht ausgeschlossen. Sie zeichnen sich zudem durch die Toleranz großer Schwankungen der Wassermengen aus.
Für sehr kleine Fallhöhen eignen sich zudem besonders gut die Schachtkraftwerke. Ausgestattet mit einer einfachen Technik finden die Schachtkraftwerke vor allem bei dezentralen Anlagen in Entwicklungsländern Verwendung.
Eines haben die unterschiedlichen Laufwasserkraftwerke jedoch gemeinsam. Sie erzeugen Strom aus erneuerbarer Energie. Allerdings bedeutet der Bau der Anlagen immer wieder einen mehr oder weniger gravierenden Eingriff in die Umwelt sowie in das ökologische Gleichgewicht. Mögliche Folgen sind der Verlust der natürlichen Fluss-Dynamik, die Verringerung des Schottertransportes und damit einhergehend die verstärkte Ablagerung von Schotter im Flussbett, die Abnahme ökologisch wichtiger Überflutungen, wodurch weniger Nährstoffe an die umliegenden Augebiete abgegeben werden. Zudem wird das gesamte natürliche Leben, welches sowohl im Fluss als auch außerhalb davon stattfindet, gestört.
