Niederdruckkraftwerke
Niederdruckkraftwerke sind Kraftwerke, die die Strömung des Wassers zur Stromerzeugung nutzen. Diese Kraftwerksart ist auf eine bestimmte Fallhöhe angewiesen. Als Fallhöhe wird der Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel oberhalb der Wasserturbine, das sogenannte Oberwasser, und dem Wasserspiegel hinter der Turbine, dem sogenannten Unterwasser, bezeichnet. Das Besondere an einem Niederdruckkraftwerk ist, dass sich das Wasser auf beiden Seiten der Anlage befindet. Ermöglicht wird dieser Umstand unter anderem durch Schleusen, einem Wehr oder eben mit Hilfe eines Wasserkraftwerks. Zwischen diesen beiden Wassermengen besteht bei einem Niederdruckkraftwerk eine Fallhöhe von höchstens 15 Metern. In diesen Kraftwerken werden entweder Durchström- oder Kaplanturbinen eingesetzt. Während bei einer Durchströmturbine das Wasser den Turbinenläufer quer durchströmt, ist die Kaplan-Turbine eine axial angeströmte Wasserturbine, bei der sich das Laufrad verstellen lässt.
Funktionsweise
Das Oberwasser wird durch die jeweilige Wasserturbine geleitet. Dort wandelt sich die potenzielle Energie des Wassers in eine mechanische Drehbewegung um. Die Drehung der Turbine, hervorgerufen durch das durchströmende Wasser, setzt einen Generator in Bewegung. Dieser Generator erzeugt dann die elektrische Energie. Niederdruckkraftwerke werden vorwiegend im Flachland gebaut. Sie weisen einen großen Turbinendurchfluss auf. Sie können, ausgehend von dem Maß ihrer Speicherungskapazität, in Laufwasserkraftwerke und Tagesspeicher differenziert werden.
Unterscheidung nach Bauarten:
Die verschiedenen Arten der Niederdruckkraftwerke können im Hinblick auf ihre Bauart unterschieden werden. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang die Niederdruckkraftwerke die als Flusskraftwerke, als Gezeitenkraftwerke, als Wellenkraftwerke oder als Ausleitungskraftwerk gebaut werden können.
1. Flusskraftwerke
Für eine genaue Erläuterung eines Flusskraftwerkes sehen Sie sich bitte den Absatz über die Laufwasserkraftwerke an. Der Begriff ‚Flusskraftwerk‘ ist lediglich eine synonyme Bezeichnung für dieselbe Kraftwerksart.
2. Gezeitenkraftwerke
Das Gezeitenkraftwerk ist eine besondere Form der Wasserkraftwerke, da es die potenzielle sowie die kinetische Energie des Tidenhubs des Meeres in elektrische Energie umwandelt. Der Tidenhub beschreibt den Unterschied zwischen dem Scheitelpegel einer Flut, dem Hochwasser, und dem untersten Pegelstand einer Ebbe, dem sogenannten Niedrigwasser. Großen Einfluss auf die Funktionsweise eines Gezeitenkraftwerks haben neben der Erddrehung die Anziehungskräfte von Mond und Sonne auf die Erde. Die Erddrehung ergibt sich aus den Anziehungskräften des Mondes sowie der Sonne auf die Erde. Die Anziehungskräfte rufen zudem die Gezeiten, den Wechsel zwischen Ebbe und Flut, hervor. Durch die Gezeitenkraftwerke wird die Strömungsbewegung der Meere, die durch die Gezeiten hervorgerufen wird, minimal abgebremst. Dazu wird sowohl die auf- als auch die ablaufende Strömung gestaut. Das gestaute Wasser wird dann durch die Turbinen geleitet, welche durch die potenzielle Wasserenergie in eine Rotationsbewegung versetzt werden. Dadurch wird ein Generator in Betrieb gesetzt, der dann die übertragene Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt.
Gezeitenkraftwerke können, je nach Bauweise, in zwei Unterarten unterschieden werden. Zum einen können diese Kraftwerke in der Staudamm-Bauweise und zum anderen als Meeresströmungskraftwerk gebaut werden.
Gezeitenkraftwerke in Staudamm-Bauweise
Versehen mit einem Staudamm entstehen die Gezeitenkraftwerke in Staudamm-Bauweise an Meeresbuchten sowie in Mündungen von Flüssen, Strömen oder Senkungsküsten. Dort sollte ein möglichst großer Tidenhub vorhanden sein. Mit dem Begriff wird der Unterschied zwischen Hoch- und Niedrigwasserstand beschrieben. Um die Wirksamkeit des Tidenhubs sicher zu stellen, wird die Einmündung des Gewässers mit einem Deich versehen. Der Deich trennt zwei Bereiche, beispielsweise eine Bucht und ein offenes Meer, voneinander und ist mit Turbinen ausgestattet, die in beide Durchströmungsrichtungen arbeiten können. Treten die Gezeiten ein, können die Turbinen beide Strömungsrichtungen des Wassers durch den Deich nutzen, um Strom zu erzeugen. Bei Flut dringt das Wasser über den Deich in die Bucht ein. Das heißt, das Meerwasser trifft auf die Turbinen und versetzt diese in Bewegung. Die Bewegungsenergie der Turbinen überträgt sich auf den angeschlossenen Generator, der für die Stromgewinnung zuständig ist. Tritt die Ebbe ein, funktioniert das Gezeitenkraftwerk nach dem gleichen Prinzip in umgekehrter Richtung. Das Wasser aus der Bucht drängt durch den Deich in das offene Meer, wodurch ebenfalls Strom erzeugt werden kann. Bei den Gezeitenkraftwerken muss bereits ein kleiner Höhenunterschied zwischen Hoch- und Niedrigwasserstand genutzt werden, weshalb in der Regel Rohrturbinen zum Einsatz kommen.
Ein Gezeitenkraftwerk, welches in Staudamm-Bauweise errichtet wird, kann zugleich als Pumpspeicherkraftwerk genutzt werden. Besteht ein Überschuss an elektrischer Energie, kann das Gezeitenkraftwerk eine Teilmenge des Stroms dazu nutzen, Meereswasser in die Bucht bzw. in das durch den Deich abgesperrte Becken zu pumpen. Auf diese Weise wirkt das Kraftwerk gleichzeitig als Stromnetzregulator.
Der ökologische Nutzen von diesen Gezeitenkraftwerken ist umstritten. Denn zum einen bedeutet die Bauweise einen enormen Eingriff in die Umwelt. Das Küstengewässer wird durch den Bau stark beeinflusst. Der Wechsel zwischen Ebbe und Flut, die Gezeiten, findet alle 12 Stunden und 24 Minuten statt. Daran haben sich die Ökosysteme an den Küstengewässern bei der Entwicklung orientiert. Hinter dem Gezeitenkraftwerk herrscht allerdings nicht der natürliche 12-Stunden-Zyklus vor. Die Phasen verschieben sich, wodurch beispielsweise die Wanderung der Wassertierchen in und aus der Bucht behindert wird. Des Weiteren gibt es nur begrenzte mögliche Standorte für Gezeitenkraftwerke in Staudamm-Bauweise. Bei einem Mindest-Tidenhub von fünf Metern stehen weltweit lediglich rund 100 Buchten zur Verfügung. Das hat zur Folge, dass die Bedeutung von Gezeitenkraftwerken für die Deckung des Strombedarfs in der Zukunft eine eher nachgeordnete Rolle spielen wird. Denn auch nur bei der Hälfte der in Frage kommenden Standorte ist eine wirtschaftliche Nutzung denkbar. Weitere Faktoren, aus denen sich eine unzureichende wirtschaftliche Nutzbarkeit der Kraftwerke ergibt, sind die ungleichmäßige Leistungsabgabe infolge der Gezeiten sowie das Auftreten von Spring- und Nippfluten. Bei einer Nippflut ist der Tidenhub des Meeres besonders niedrig. Außerdem wird die Wirtschaftlichkeit durch beträchtliche Wartungsarbeiten gesenkt, die aufgrund der Turbinenkorrosion durch das Salzwasser erforderlich sind.
Gezeitenkraftwerke als Meeresströmungskraftwerke
Anders als bei den Gezeitenkraftwerken in Staudamm-Bauweise werden bei den Meeresströmungskraftwerken keine Stauanlagen errichtet. Stattdessen wird die Turbine, mit der der Strom erzeugt werden soll, an einem Mast frei in der Strömung des Meeres. Das heißt, dass das Meeresströmungskraftwerk die natürliche Meeresströmung möglichst effektiv nutzt.
Ähnlich wie bei anderen Wasserkraftanlagen kann auch bei einem Meeresströmungskraftwerk nicht ausschließlich von einem fehlenden oder vorhandenen ökologischen Nutzen ausgegangen werden. Die Vor- und Nachteile müssen jeweils gegeneinander aufgewogen werden. Der kontinuierliche Fluss der Meeresströmung ermöglicht eine außergewöhnlich exakte Vorhersage der Strömung. Aus diesem Grund ist es möglich, die idealen Standorte für Meeresströmungskraftwerke schnell zu bestimmen. Auch wenn nur niedrige Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen, genügen diese für die Stromerzeugung. In der Regel werden konventionelle Meeresströmungsanlagen vollständig unter Wasser angelegt, um eine Durchmischung der Wasserströmung mit der Luftströmung zu verhindern. Denn dadurch käme es zu einer Verringerung der Wasserdichte, die jedoch für eine möglichst effiziente Stromherstellung entscheidend ist. Zudem ist die Anlage unter der Meeresoberfläche kaum schwierigen Witterungsbedingungen ausgesetzt. Zusätzliche Vorteile sind geringere Korrosionsschäden, da das Meeresströmungskraftwerk, wird es vollständig im Wasser gebaut, nicht der Luft ausgesetzt ist, die wiederum die Korrosion erhöht. Der Eingriff in die Umwelt ist ebenfalls relativ gering. Genauere Untersuchungen in Bezug auf die Gefahr auf Meereslebewesen wie Fische durch die sich bewegenden Rotationsblätter der Turbine werden derzeit durchgeführt. Zwar sind die Meeresströmungsturbinen in ihrem Betrieb sehr umweltverträglich, allerdings arbeiten sie derzeit unwirtschaftlicher als andere Anlagen bzw. Techniken, die auch erneuerbare Energien nutzen.
Zudem können sich Probleme für den Fischfang ergeben. Nur wenn der Wasserspiegel oberhalb der unter Wasser angebrachten Meeresströmungsturbine groß genug ist, kann der Fischfang auch in dem Gebiet effektiv ausgeführt werden. Das stellt die Ingenieure der Turbinen jedoch vor neue Probleme. Unter anderem müssen bei der Konstruktion der Unterwasserturbinen eventuelle Wechselwirkungen mit Schiffsbewegungen berücksichtig werden. Des Weiteren sind die Installationsarbeiten auf offener See sowohl für das Material als auch für die Menschen besonders anspruchsvoll. Die Bestandteile der Meeresströmungsanlage, wie beispielsweise der verwendete Beton sowie der Stahl, müssen den besonderen Anforderungen unter Wasser gerecht werden. Sie müssen unter anderem dem verstärkten Salzeinfluss standhalten.
Die Wartungsarbeiten der Anlage sind schwierig und aufwendig, denn neben Korrosionsschäden kann es zugleich zu Aushöhlungen oder Ausspülungen in den Abschnitten des Meeresbodens kommen, die unmittelbar an die Anlage angrenzen. Und auch wenn der offensichtliche Eingriff in die Natur geringer ausfällt, als bei anderen Wasserkraftwerken, bleibt diese nicht frei von Auswirkungen. Die Unterwasserturbine macht Lärm, der sich im Wasser ausbreitet. Über die Folgen für die Meerestiere ist diesbezüglich jedoch nichts bekannt. Bewiesen ist hingegen, dass die Turbine die Meeresströmung beeinflusst. Das bedeutet, vor der Turbine ist die Strömung schneller als dahinter. Beim Durchfluss des Meereswassers durch die Turbine geht die Energie des Wassers auf die Turbine über. Verlässt das Meerwasser die Turbine, ist die Energie geringer und die Strömung folglich langsamer. Dies könnte wiederum negative Auswirkungen auf das Verhalten von Meerestieren und den Transport von Sedimenten haben.
Ausgehend von Gesamteuropa können zwischen zwei und drei Prozent des Strombedarfs mit Meeresströmungskraftwerken gedeckt werden. Auf Deutschland bezogen ist die Bedeutung der Anlagen jedoch verschwindend gering. Der einzige mögliche Standort für eine derartige Anlage ist, nach Ansicht des Wissenschaftlichen Dienstes des Deutschen Bundestags der südliche Strömungsbereich vor Sylt. Probleme bereiten aber der Standort in dem Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer sowie die geringe Meerestiefe.
3. Wellenkraftwerke
Wellenkraftwerke nutzen, wie auch die Meeresströmungskraftwerke, die Kraft des Meeres. Allerdings wird bei dieser besonderen Form die Energie der Meereswellen und nicht die Strömungsenergie zur Stromerzeugung genutzt. Das bedeutet, dass die kontinuierliche Wellenbewegung und nicht der Tidenhub entscheidend ist. Somit nutzt ein Wellenkraftwerk die erneuerbare Energie des Wassers sowie des Windes. Denn erst durch anhaltenden Wind wird die Meereswelle verursacht.
Die Meereswellen verfügen über Energie, die mit Hilfe der Wellenkraftwerke in elektrische Energie, in elektrischen Strom, umgewandelt werden kann. Zur Nutzung dieser Wellenenergie stehen verschiedene Technologien bzw. Prinzipien zur Verfügung, die sich teilweise grundlegend unterscheiden.
Pneumatische Kammer
Die Pneumatische Kammer ist eine Kammer, in welcher sich der Wasserspiegel, durch die Verbindung zum Meer, hebt und senkt. Je nachdem, welche Bewegung das Meer aufweist, ob starker Wellengang oder glatte See vorliegt, strömt Luft in die Kammer ein oder aus dieser heraus. Strömt eine Welle in die Kammer, strömt die enthaltene Luft nach draußen. Sobald das Wasser, hervorgerufen durch ein Wellental, wieder nach draußen dringt, strömt erneut Luft ein. Mit Hilfe eines Windgenerators wird die Energie der sich bewegenden Luft in elektrische Energie umgewandelt.
OWC-Prinzip
Eine besondere Form des Wellenkraftwerks nach ist ein im Jahr 2000 auf der schottischen Insel errichtetes Wasserkraftwerk. Diese funktioniert nach dem ‚oscillating water column‘-Prinzip. Mit dem Wellenkraftwerk wird erstmalig der erzeugte elektrische Stromgleich in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Das Kraftwerk verfügt über kaminartige Betonröhren. Jede Welle drückt in diese Röhren und wird durch das anschließende Wellental wieder hinausgezogen. An den oberen Enden der Röhren befinden sich die Turbinen, welche in Bewegung versetzt werden. In den Betonröhren befinden sich Wassersäulen, die sich den Wellenbewegungen anpassen und dadurch die komprimierte Luft in Bewegung versetzen. Das bedeutet, die komprimierte Luft der Röhren wird abwechselnd angesaugt oder komprimiert, je nachdem wie die Wellenbewegung gerade verläuft. Die insgesamt erreichte Leistung der Anlage entsprach jedoch nicht den gemachten Prognosen.
Auf der färöischen Insel Sandoz ist die Inbetriebnahme einer weiteren Anlage nach dem OWC-Prinzip geplant. Im Grunde genommen soll es nach der gleichen Funktionsweise wie das Kraftwerk auf Islay arbeiten. Die Generatoren für die Stromerzeugung sollen in die Tunnel eingelassen werden, die wiederum in die Kliffs hineingebohrt werden müssen. Ist die Bauweise erfolgreich, sollen derartige Generatorentunnel ebenfalls in den Kliffs von anderen Standorten eingelassen. Im Gespräch dafür sind unter anderem die Orkney-Inseln sowie Shettland-Inseln.
Die Stromerzeugung, die nach OWC-Prinzip erfolgt, ist anhängig von den Wellen. Das heißt, die Stromerzeugung unterliegt den Wellenschwankungen. Dadurch kommt es zu einer unstetigen Energieabgabe an das öffentliche Stromnetz. Mit Hilfe von Kurzzeitspeichern sollen die Schwankungen ausgeglichen werden. Weitere Ausgleichsmöglichkeiten könnten Wasserkraftwerke an anderen Standorten sein.
Schwimmkörper
Ein weiteres Funktionsprinzip basiert auf der Nutzung von Schwimmkörpern, die entweder miteinander oder mit dem jeweiligen Ufer verbunden sind. Die Wellenbewegung des Wassers versetzt ebenfalls die in dem Wasser befindlichen Schwimmkörper in Bewegung. Die dabei freigesetzte Energie wird anschließend über hydraulische Systeme aufgenommen und anschließend an die Generatoren weitergeleitet, die diese in die elektrische Energie umwandeln.
Auftriebskörper
Auftriebskörper können ebenso für die Stromerzeugung aus der Wellenenergie genutzt werden. Unter den Auftriebskörpern, auch als bewegliche Auftriebskörper bezeichnet, versteht man bewegliche, durch Gelenke miteinander verbundene Elemente, die an der Wasseroberfläche schwimmen. Die Elemente bilden zusammen einen Teppich, welcher an den Verbindungsstellen mit Hydraulikzylindern ausgestattet ist. Durch die Bewegung der Meereswellen gerät der gesamte Teppich in Bewegung. Diese Bewegung sorgt dann dafür, dass die Arbeitsflüssigkeit durch Röhren, die mit integrierten Turbinen und Generatoren versehen sind, in die Ausgleichszylinder gedrückt wird.
Auch bei diesem Funktionsprinzip ist die Stromerzeugung inhomogen, das heißt, sie hängt von dem Wellengang des Meeres ab. Allerdings kann durch die Nutzung vieler Geräte bzw. Elemente in dem Teppich ein gemittelter Wert erreicht werden. Der gemittelte Wert gewährleistet eine gewisse Konstanz, da immer wieder die gleiche Anzahl der Einzelelemente zum Einsatz kommt. Die Stromschwankungen fallen demnach nicht so gravierend aus wie beispielsweise bei der Stromgewinnung nach dem OWC-Prinzip.
Entwickler des Funktionsprinzips der Auftriebskörper war Gerard Brandl, ein Berliner Ingenieur. Brandl entdeckte, dass zum Antrieb eines Lineargenerators sowohl die vertikale Bewegung zwischen den Auftriebskörpern an der Meeresoberfläche als auch ein daran hängendes Gegengewicht genutzt werden können. Das Pelamis Projekt der Ocean Power Delivery Limited in Stromness auf den Orkney-Inseln setzt das Prinzip bereits um. Die Besonderheit dieses Kraftwerks ist die Schlangenform. Die Anlage ist insgesamt 150 Meter lang und 3,5 Meter breit und wird seit Mitte des Jahres 2006 vor der portugiesischen Küste für die Stromherstellung eingesetzt. Variationsmöglichkeiten bei der Umsetzung des Prinzips der Auftriebskörper bieten die unterschiedlichen Materialien, aus welchen die einzelnen Elemente bestehen können. In Frage kommen beispielsweise gummiartige Materialien, mit denen die Energiebilanz deutlich verbessert werden kann, oder auch spezielle Polymere, die beispielsweise in speziellen Bojen Anwendung finden, die wiederum Strom erzeugen.
Rampe
Ein als Rampe konzipiertes Wellenkraftwerk ist das Kraftwerk ‚Wave Dragon‘. Die Anlage wurde als eine Offshore-Anlage entwickelt und ist deshalb von der Küste unabhängig. In Nissum Bredning im Norden Dänemarks ist schon seit 2003 ein Prototyp in Betrieb. Die Rampe funktioniert nach dem folgenden Prinzip: Grundlegend ist die Installation eines Wellenkonzentrators. Darunter ist eine Rampe zu verstehen, die an den beiden Außenseiten jeweils mit einer Barriere versehen ist. Diese sind v-förmig angeordnet, was bedeutet, dass sie sich zur Mitte hin aufeinander zu bewegen. Innerhalb dieser Barrieren erfolgt die Verstärkung der Wellen. Denn sobald die Meereswellen auf den Wellenkonzentrator treffen, werden die innerhalb der Barrieren weitergeleitet, wodurch eine Ausbreitung zur Seite verhindert werden kann. Die vergrößerten Wellen laufen die Rampe hinauf. Von dort aus treffen sie auf die Turbinen, die die Generatoren antreiben. Anschließend fließen die Wellen an dem Rampenende wieder ins Meer zurück.
Bodenwellen
Die Meeresenergie nutzbar zu machen kann zudem über die Bodenwellen erfolgen. Für die Umwandlung der Bodenwellenenergie wird eine Platte über Gelenke am Meeresboden verankert. Trotz der festen Verankerung im Meeresboden, damit die Platte nicht den Standort verlässt, kann sie sich den Meeresbewegungen anpassen. Die Bodenplatte ist mit einer Hydraulik, Turbinen und Generatoren ausgestattet, so dass eine Umwandlung der Meeresenergie in elektrische Energie erfolgt. Den ersten Generator, der nach diesem Prinzip funktioniert, hat die finnische Firma AW-Energy im April 2007 in Portugal installiert. Ein zweiter folgte ein Jahr später.
Vor- und Nachteile von Wellenkraftwerken
Ausgehend von den Prognosen des Internationalen Weltenergierats in London könnten zukünftig mit Wellen- und Gezeitenkraftwerken rund 15 Prozent des weltweiten Bedarfs an Strom gedeckt werden könnten. Schottland ist diesbezüglich in Europa der Vorreiter. Nach den bisherigen Erkenntnissen könnten allein in Schottland im Jahr 2020 rund 40 Prozent des Strombedarfs mit Hilfe der Wellenenergie gedeckt werden. Für Wellen- und Gezeitenkraftwerke geeignete Küsten liegen innerhalb Europas beispielsweise in Großbritannien, Portugal, Spanien, Irland sowie Norwegen.
Da die Kraftwerke jedoch oftmals küstenfern, als Off-Shore-Anlage, gebaut werden, besteht eine größere Gefahr, dass sie den Umwelteinflüssen nicht standhalten können. In der Vergangenheit stellten immer wieder sogenannte Monsterwellen ein Problem für die Kraftwerke dar. Darunter werden Wellen mit überdurchschnittlich hohen Wellenbergen verstanden, die plötzlich und unvorhersehbar auftreten können. In modernen Anlagen sind beispielsweise die Auftriebskörper so konstruiert, dass diese durch die Wellen hindurch tauchen und demzufolge keine Gefahr von den überdurchschnittlich hohen Wellen für die Anlagen ausgeht. Unter anderem aufgrund der Bedingung, die Kraftwerke besonders robust zu konstruieren, sind die Kosten besonders hoch. Sowohl die Entwicklung als auch der endgültige Bau der Anlagen verschlingen viel Geld. Dies schlägt sich auf den Strompreis nieder. Das bedeutet, dass der Strom aus den Wellen- oder Gezeitenkraftwerken teurer als anderer Strom ist.
Die Entwicklung der Techniken sowie das Auffinden weiterer geeigneter Standorte macht es trotz der Schwierigkeiten wahrscheinlich, dass Strom aus Gezeiten- und Wellenkraftwerken später zu der Deckung des weltweiten Strombedarfs entscheidend beitragen kann.
4. Ausleitungskraftwerke
Eine andere Bezeichnung für die Ausleitungskraftwerke ist der Begriff Umleitungskraftwerk. Die Beschreibung der Funktionsweise eines Ausleitungskraftwerks findet sich unter dem Punkt ‚Laufwasserkraftwerke‘.
