Ein Flusswasserlaufkraftwerk ist ein Kraftwerk, das die Energie des fließenden Wassers eines Flusses oder Baches nutzt, um Strom zu erzeugen. Es funktioniert, indem Wasser in ein Kraftwerk geleitet wird, wo es durch eine Turbine fließt, die einen Generator antreibt, der Strom erzeugt. Das Wasser wird dann zurück in den Fluss oder Bach geleitet.
Ein Flusswasserlaufkraftwerk kann auf verschiedene Arten gebaut werden, abhängig von den örtlichen Gegebenheiten. In der Regel wird eine Art von Wehr gebaut, um den Fluss oder Bach zu stauen und eine ausreichende Wasserhöhe aufzubauen (Stausee). Dann wird eine Rohrleitung oder ein Kanal gebaut, um das Wasser zu der Turbine zu leiten. Nachdem das Wasser die Turbine passiert hat, wird es in den Fluss oder Bach zurückgeleitet.
Die Vorteile eines Flusswasserlaufkraftwerks sind:
- Erneuerbare Energiequelle: Flusswasserlaufkraftwerke nutzen eine erneuerbare Energiequelle, nämlich fließendes Wasser, das sich im Laufe der Zeit immer wieder erneuert. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ist diese Energiequelle nahezu unerschöpflich und hat keinen schädlichen Einfluss auf die Umwelt.
- Keine Emissionen: Flusswasserlaufkraftwerke erzeugen keine Emissionen, wie sie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen. Das bedeutet, dass sie eine saubere Energiequelle sind, die zur Reduzierung des Treibhausgasausstoßes und zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen können.
- Geringe Umweltauswirkungen: Flusswasserlaufkraftwerke haben im Vergleich zu anderen Energiequellen wie Kohle- oder Atomkraftwerken relativ geringe Umweltauswirkungen. Sie beeinträchtigen die Flora und Fauna des Flusses oder Baches weniger als andere Energiequellen und haben normalerweise keine langfristigen Auswirkungen auf den Wasserfluss.
- Lokale Energieversorgung: Flusswasserlaufkraftwerke können eine lokale Energieversorgung unterstützen und zur Schaffung von Arbeitsplätzen in ländlichen Gebieten beitragen. Sie können auch zur dezentralen Stromerzeugung beitragen, die die Abhängigkeit von großen, zentralisierten Stromnetzen reduziert.
Risiken
Die durch das anstauen von Wasser entstandenen Stauseen können verschiedene soziale und ökologische Risiken mit sich bringen, darunter:
Soziale Risiken:
- Umsiedlung von Gemeinden: Beim Bau von Stauseen müssen manchmal Gemeinden oder Dörfer umgesiedelt werden, um Platz für den Stausee und das umliegende Gebiet zu schaffen. Dies kann zu erheblichen sozialen Auswirkungen führen, da Familien gezwungen werden können, ihre Häuser und Gemeinschaften zu verlassen, was zu Störungen und Verlusten von sozialen Bindungen und Gemeinschaftsstrukturen führen kann.
- Verlust kultureller Erbes: Stauseen können auch dazu führen, dass historische und kulturelle Stätten überflutet werden und somit verloren gehen, was zu einem Verlust des kulturellen Erbes führen kann.
- Konflikte um Wasserressourcen: Der Bau von Stauseen kann zu Konflikten um Wasserressourcen führen, insbesondere in Gebieten, in denen Wasser knapp ist. Die Wassernutzung zwischen verschiedenen Interessengruppen wie Landwirten, Fischern und Stadtgemeinden kann zu Konflikten führen.
Ökologische Risiken:
- Verlust von Ökosystemen: Der Bau von Stauseen kann dazu führen, dass große Gebiete von natürlichen Ökosystemen überflutet werden, was zu einem Verlust von Lebensräumen, Pflanzen und Tierarten führen kann.
- Beeinträchtigung des Wasserflusses: Stauseen können den natürlichen Wasserfluss in Flüssen und Bächen beeinträchtigen und damit die Ökologie des Flussökosystems verändern. Es kann auch dazu führen, dass natürliche Überflutungen verhindert werden, die für die Erhaltung des Flusssystems wichtig sind.
- Erhöhtes Treibhausgasemissionen: Stauseen können auch zur Emission von Treibhausgasen beitragen, insbesondere von Methan, einem potenten Treibhausgas, das durch den Abbau von organischen Materialien im Stausee freigesetzt wird. Dies kann zu einer Verschärfung des Klimawandels beitragen.
Berechnung der möglichen Stromerzeugung
Ein Laufwasserkraftwerk soll möglichst viele Haushalte mit je 0,2kW Grundlast mit Energie versorgen. Als Turbine wird eine Kaplan-Turbine mit einem Wirkungsgrad von 0,94 verwendet, die einen Generator (η_G = 89%) antreibt. Durch die Turbine fließen aus einer Fallhöhe von 25,5m pro Sekunde 10m³ Wasser mit einer Dichte von 999 kg/m³.
Wir berechnen die im Oberwasser enthaltene hydraulische Leistung des Wassers in MW.
Um die hydraulische Leistung des Wassers im Laufwasserkraftwerk zu berechnen, können wir die folgende Formel verwenden:
P = ρ * g * Q * H
wobei:
- P die hydraulische Leistung des Wassers in Watt (W) ist
- ρ die Dichte des Wassers in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³) ist
- g die Erdbeschleunigung in Metern pro Sekunde im Quadrat (m/s²) ist
- Q der Wasserdurchfluss in Kubikmeter pro Sekunde (m³/s) ist
- H die Fallhöhe des Wassers in Metern (m) ist
Zunächst müssen wir den Wasserdurchfluss Q in m³/s berechnen. Da pro Sekunde 10m³ Wasser durch die Turbine fließen, beträgt der Wasserdurchfluss:
Q = 10 m³/s
Die Fallhöhe H beträgt 25,5 m.
Die Dichte des Wassers ρ beträgt 999 kg/m³.
Die Erdbeschleunigung g beträgt etwa 9,81 m/s².
Dann können wir die hydraulische Leistung des Wassers wie folgt berechnen:
P = ρ * g * Q * H = 999 kg/m³ * 9,81 m/s² * 10 m³/s * 25,5 m ≈ 2.481.240 Watt ≈ 2,48 MW
Somit enthält das Wasser im Oberwasser des Laufwasserkraftwerks eine hydraulische Leistung von etwa 2,48 MW, die durch die Kaplan-Turbine und den Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Wir berechnen nun die Nutzleistung in Megawatt [MW], die das Kraftwerk bereitstellen kann.
Um die Nutzleistung des Kraftwerks zu berechnen, können wir die Formel für die elektrische Leistung verwenden:
P = η * P_hyd * η_G
wobei:
- P die elektrische Leistung in Watt (W) ist
- η der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks ist (Produkt aus dem Wirkungsgrad der Turbine und dem Wirkungsgrad des Generators)
- P_hyd die hydraulische Leistung des Wassers im Oberwasser des Laufwasserkraftwerks in Watt (W) ist, die wir in der vorherigen Antwort berechnet haben
- η_G der Wirkungsgrad des Generators ist
Der Wirkungsgrad der Kaplan-Turbine beträgt 0,94, und der Wirkungsgrad des Generators beträgt 0,89. Der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks ist daher:
η = 0,94 * 0,89 = 0,8374
Die hydraulische Leistung des Wassers im Oberwasser des Laufwasserkraftwerks beträgt etwa 2,48 MW (wie in der vorherigen Antwort berechnet). Setzen wir diese Werte in die Formel ein, erhalten wir:
P = η * P_hyd * η_G = 0,8374 * 2,48 MW * 0,89 ≈ 2,09 MW
Daher kann das Kraftwerk eine Nutzleistung von etwa 2,09 MW bereitstellen, die in elektrische Energie umgewandelt wird und zur Versorgung von Haushalten genutzt werden kann.
Wir bestimmen als nächstes die Anzahl der Haushalte N, deren Grundlast mit diesem Wasserkraftwerk gedeckt werden kann!
Um die Anzahl der Haushalte zu bestimmen, die mit der Grundlast des Wasserkraftwerks versorgt werden können, müssen wir die elektrische Leistung pro Haushalt berechnen und diese dann durch die Gesamtnutzleistung des Kraftwerks teilen.
Eine typische Grundlast eines Haushalts beträgt 0,2 kW (200 Watt). Daher können wir die Anzahl der Haushalte berechnen, indem wir die Nutzleistung des Kraftwerks durch 200 Watt teilen:
N = P_Nutz / 200 Watt
Setzen wir die Nutzleistung des Kraftwerks ein, die wir in der vorherigen Antwort berechnet haben (P = 2,09 MW), erhalten wir:
N = 2,09 MW / 200 Watt ≈ 10.450 Haushalte
Daher können etwa 10.450 Haushalte mit einer Grundlast von 0,2 kW durch das Laufwasserkraftwerk versorgt werden.