Wasserkraftwerke
Seminar „Zukunft der Energie“, Salem 2008Behrend Heeren
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Inhalt
1. Einleitung2. Typen von Wasserkraftwerken 2.1 Aufbau eines Wasserkraftwerkes 2.2 Wasserkraftwerke in Binnengewässern 2.3 Wasserkraftwerke im Meer
3. Grenzen der Nutzung4. Zusammenfassung
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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1. Einleitung
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserkraft (Hydroenergie)
- Strömungsenergie von fließendem Wasser, durch Maschinen Umsetzung in mechanische Energie
- früher direkte Nutzung (Wassermühlen), heute Umwandlung in elektr. Energie (Wasserkraftwerke)
- potentielle Energie des Wassers wird auf natürliche Weise erzeugt (Verdunstung, Wind, Regen)
- beim Herunterfließen Umwandlung in kinetische Energie, die vom Menschen genutzt werden kann
- Wasserkraft gehört somit zu den erneuerbaren Energiequellen
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Historische Nutzung: Wasserräder
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• PAuswirkungen
• Fazit
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Historische Nutzung: Wasserräder
- Bewässerung in der Landwirtschaft (ca. 1200 v.Chr.)
- Antrieb von Mahlmühlen im römischen Reich (ca. 100 v.Chr.)
- Wassermühlen in Deutschland seit ca. 600 n.Chr.
- ab dem 12. Jhd. weite Verbreitung in Mitteleuropa
- Industrialisierung: Antrieb von Maschinen, Entwässerung von Bergwerken
- ab 19. Jhd. Einsatz von Wasserturbinen
- mit Einführung der Elektrizität entstanden Wasserkraftwerke
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserkraft heute
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserkraft heute (weltweit)
- Nutzungsmöglichkeiten stark abhängig von geographischer Lage
- Norwegen: fast 100% des Strombedarfs aus Wasserkraft, Brasilien und Ghana 80%, Alpenländer 50%
Quelle: BMU
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
Anteile an der Stromerzeugung weltweit (2005)
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Wasserkraft heute (Deutschland)
- 3,5% des Strombedarfs durch Wasserkraft
- davon 80% in Mittelgebirgsregionen in Bayern und Baden-Württemberg erzeugt
- ca. 7.000 Wasserkraftwerke bundesweit in Betrieb
- ca. 400 Anlagen erzeugen 90%
- Bereich zu 85% schon erschlossen
- Verbesserung in erster Linie durch Modernisierung oder Installation von Werken an vorhandenen Stauanlagen möglich
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserkraft heute (Deutschland)
Quelle: BMU
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Grundbegriffe (Stromerzeugung)
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Lastzeiten
- Netzbelastung eines Stromnetzes, abhängig von der Tageszeit
- Einteilung in Grund-, Mittel- und Spitzenlast- Grundlast: Netzbelastung, die während
eines Tages (i.d.R.) nicht unterschritten wird (->Schwachlast)
- Mittellast: Bereich, in dem über die Grundlast hinaus zusätzlicher Strom gebraucht wird
- Spitzenlast: kurzzeitig auftretende hohe Leistungsnachfrage
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Lastzeiten
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Kraftwerkstypen
Grundlastkraftwerke:- niedrigste Stromentstehungskosten - keine schnelle Regelbarkeit erforderlich- Bsp: AKW, Braunkohle, WasserkraftMittellastkraftwerke: - besser regelbar als Grundlastkraftwerke- Bsp: SteinkohlekraftwerkeSpitzenlastkraftwerke:- schnell regelbar, hohe Erzeugungskosten- Bsp: Gasturbinen- und
Pumpspeicherkraftwerke
• Einleitung • Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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2. Wasserkraftwerke
• Einleitung
• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Typen von Wasserkraftwerken
- Lauf- oder Flusskraftwerke- (Pump-)Speicherkraftwerke- Gezeitenkraftwerke- Wellenkraftwerke- Meeresströmungskraftwerke
- Einteilung nach: Auslastung, Bauart, Leistung- Leistung eines Kraftwerkes: Eingespeiste
Strommenge im Kalenderjahr dividiert durch Jahresstundenzahl
• Einleitung
• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Aufbau
• Einleitung
• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserturbine
- wandelt kinetische Energie von Flüssigkeiten in Dreh- oder Rotationsenergie um
- Laufschaufeln werden durch Wasserstrom in Drehung versetzt
- Drehung wird zum Antrieb eines Generators benutzt
- wandelt Rotationsenergie in elektrischen Strom um
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• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserturbine
Leistung P (in Watt): - Wirkungsgrad η, Wasserdichte ρ,
Erdbeschleunigung g, Durchflussvolumen V, Fallhöhe h:
P = η * ρ * g * h * V
- sehr hoher Wirkungsgrad (bis über 90%)
- geringe Fallhöhe kann zB durch großes Durchflussvolumen kompensiert werden und umgekehrt
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• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserturbine
- Turbine muss den unterschiedlichen Fallhöhen und Durchflussmengen der Anlage angepasst sein
- individuelle Anfertigung für Großkraftwerke
- Besonderheit: aufwendige Regelung ihrer Drehzahl bei immer leicht schwankenden Durchflussmengen
- Anteil am Investitionsvolumen: Großanlagen 20%, Kleinanlagen 50%
- jedoch erhebliche Lebensdauer (>60 Jahre)
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• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Itaipu-Kraftwerk (Brasilien)
• Einleitung
• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Typen von Wasserturbinen
• Einleitung
• Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Wasserkraftwerke in Binnengewässern
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Lauf- und Flusskraftwerke
- keine Speichermöglichkeit des Wassers
- Flusswasser wird durch Turbine geleitet (Francis oder Kaplan)
- geringe Fallhöhe, hohe Durchflussmengen
- Wehranlagen steigern Durchfluss und Fallhöhe
- Stromerzeugung rund um die Uhr, gute Auslastung der Turbinen und geringe Betriebskosten -> Grundlastkraftwerk
- jedoch jahreszeit- und tidebedingte Schwankungen
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•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Strombojen
- Boje mit Turbine und Generator, im Fluss verankert- Einsatz in mittleren bis großen Flüssen:
Flussbreite: >4m Flusstiefe: >2m- Voraussetzungen: ruhige, gleichmäßige, schnelle
Strömung; Fließgeschwindigkeit: >2m/s
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•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Strombojen
Unterschiede zu traditionellen Flusskraftwerken:
- bauliche Veränderungen im Fluss nicht erforderlich
- in bisher nicht nutzbaren Flussabschnitten einsetzbar
- kann leicht wieder entnommen werden- kaum Veränderung des Landschaftsbildes- keine Behinderung der Schifffahrt- kaum ökologische Beeinträchtigungen
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•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Speicherkraftwerke
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Speicherkraftwerke
- Wasser wird in einem Stausee gesammelt
- natürlicher Ursprung oder Aufstauen mittels einer Staumauer oder einem Staudamm
- Nutzung der hohen potentiellen Energie des gespeicherten Wassers
- über Rohrleitungen wird das Wasser auf die Turbine am Fuß der Staumauer geleitet (Pelton-Turbinen)
- durch hohes Gefälle ist Stromerzeugung schon mit geringer Wassermenge möglich
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Speicherkraftwerke
- Einteilung nach Füll- und Entleerungsrhythmus
- Vorteil gegenüber anderen Kraftwerken: Leistung steht binnen kürzester Zeit zur Verfügung, zudem sehr gut regelbar ->Spitzenlastkraftwerk
- Speicherkraftwerke können Ausfälle anderer Kraftwerke kurzfristig überbrücken
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Pumpspeicherkraftwerke
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Pumpspeicherkraftwerke
- dient zur Speicherung elektrischer Energie durch Umwandlung in potentielle Energie
- Schwachlastzeiten: Energieaufwand
- Höhe ist abhängig von Wassermenge
- in Spitzenlastzeiten wird Strom produziert (Funktionsweise wie beim Speicherkraftwerk)
- sehr flexibel regelbar, Leistung innerhalb Minuten abrufbar ->Spitzenlastkraftwerk
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Pumpspeicherkraftwerke
- zählen nicht zu erneuerbaren Energiequellen
- es wird mehr Energie zum Hochpumpen benötigt als anschließend gewonnen werden kann
- Alternativen energetisch ungünstiger
- steigende Bedeutung (Ausbau Windenergie)
- Problem: große Entfernungen zwischen Standorten von Windkraftanlagen (Küste) und PSKW (Mittelgebirge)
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•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Wasserkraftwerke im Meer
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Gezeitenkraftwerke
- nutzt Lageenergie des wechselnden Meeresspiegels- entnehmen Energie letztlich der Erddrehung und
Anziehungskraft zwischen Erde, Mond und Sonne- funktionieren nach dem Staudamm-Prinzip- werden an Meeresbuchten oder Flussmündungen
mit besonders hohem Tidenhub (>5m) errichtet
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•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Gezeitenkraftwerke
1. Phase 2. Phase
3. Phase 4. Phase
Meer Staubecken
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Gezeitenkraftwerke
- weltweit nur ca. 100 geeignete Stellen (Buchten)
- durch Tidenabhängigkeit unregelmäßige Leistungen
- durch Salzwasser starke Abnutzung der Turbinen
- werden nur geringen Anteil zur Stromerzeugung leisten können
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Strömungskraftwerke
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Strömungskraftwerke
- Strömungskraftwerke nutzen Meeresströmungen
- Funktionsweise wie bei Windenergieanlagen
Unterschiede zu Windenergieanlagen:1. Meeresströmungen berechenbarer als Wetter
(Wind) und permanent vorhanden2. durch hohe Dichte des Wassers geringere
Strömungsgeschwindigkeit notwendig (ca. 2 m/s)
3. wesentlich kleinere Rotorblätter (1/3 = 20m)
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Strömungskraftwerke
Vorteile gegenüber Gezeitenkraftwerken:
- kann nicht nur in Intervallen eingesetzt werden, nur bei Gezeitenwechsel kurzer Stopp
- weit mehr Standortmöglichkeiten, da nicht vom Tidenhub abhängig
- keine sichtbare Veränderung der Landschaft
- (wahrscheinlich) keine Beeinträchtigung für Pflanzen- und Tierwelt (langsame Rotation)
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Wellenkraftwerke
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Wellenkraftwerke
Potentiale:- Wellen stellen enormes Energie-Potential bereit- Experten rechnen langfristig mit geringen
Erzeugungskosten (bis zu 4Ct/kWh, heute 10Ct/kWh)
Einschränkungen:- Zerstörungskraft von Riesenwellen- mit dem Wellengang schwankende Leistungen
Realität:- generell sehr viele verschiedene Prinzipien und
Ideen- 2004 waren weltweit ca. 15 Kraftwerke in Betrieb
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Wellenkraftwerke
Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC)- Betonkammer mit Öffnung, durch welche die Wellen
Wasser in den Hohlraum drücken- mit Fallen und Steigen des Wasserspiegels wird Luft
in Röhre hinaufgedrückt bzw. hinuntergesaut
- Luftstrom treibt eine Turbine an- bisherige Leistungen
enttäuschend, Verbesserungen geplant
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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Wellenkraftwerke
Auftriebskörper („Die Seeschlange“)- Stahlrohre, über Gelenke gekoppelt- hydraulische Pumpen, die Generator
antreiben- relativ geringe Umweltbelastung
(keine Fundamente)- resistent gegenüber „Monsterwellen“- Problem: 250l Öl-Füllung, jedoch
Alternativen geplant
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
Auswirkungen
• Fazit
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3. Grenzen der Nutzung
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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(Ökologische) Auswirkungen
Stauanlagen: Ausstoß von Methangas und großer Mengen
CO² bei Überflutung von ungerodetem Land geophysische Wirkungen des
Wassergewichtes (Erdbeben) Dammbrüche (Kettenreaktionen) Vertreibung und Zwangsumsiedlungen
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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(Ökologische) Auswirkungen
Flusskraftwerke: 21% der kartierten Gewässer höchstens
„mäßig verändert“ Verlust der Flussdynamik
(Geschiebetransport) Ausfall von ökologisch wichtigen
Überflutungen Beeinträchtigung von Fischwanderungen
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•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Das Assuan-Kraftwerk (Ägypten)
Jährliche Nilüberschwemmungen unterbunden, dadurch: 1. Mangel an natürlichem Dünger (vor allem Lehm),
Import von teurem, ökol. gefährdendem Kunstdünger2. Nährstoffentzug für Fische 3. Rohstoff der Töpfer- und Ziegelindustrie entzogen4. Rattenplagen (vorher Dezimierung durch
Überschwemmung)
stehendes Wasser hinter dem Damm fördert Ufererosion,
zudem Auftreten von Malaria und Bilharziose
schnelle Verschlammung des Stausees (hohe Kosten)
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Drei-Schluchten-Damm
Konflikt von Hochwasserschutz und Energiegewinnung
Freisetzung von Methangas durch Verrottung der Vegetation
Versandung, Nährstoffentzug für Ackerland flussabwärts
Bedrohung von Tier- und Pflanzenarten Erbauung in erdbebengefährdetem Gebiet
-> Dammbruch (Zwangs)Umsiedlung von 2 Mio. Menschen
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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4. Zusammenfassung
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
•Potentiale und Auswirkungen
• Fazit
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Zusammenfassung
Wasserkraft schon sehr stark genutzte EEG mit hohem Anteil an der Stromversorgung (weltweit 16%)
in Deutschland fast vollständig erschlossen und stagnierend (3,5%)
zuverlässige und gleichmäßige Versorgung (Grundlast)
PSKW wichtig für Spitzenlast (Ausgleich Windkraft) hohes Potential in Meereswellen und –strömungen,
jedoch hohe Investitionskosten und bis jetzt wenig Praxiserfahrung
vor allem bei Staudamm-Projekten starke ökologische Beeinträchtigungen, Umsiedlungen, Sicherheitsrisiken
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
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Kenngrößen
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
•Auswirkungen
• Fazit
Typ Name Leistung*
Flusskraftwerk
Rhein-KWe <110MW
größtes in Deutschland
Stromboje <20kW ->140kW, Parks: ->2MW
Speicher-KW/ Stauanlage
Walchensee
124MW größtes in Deutschland
3Schluchten
18.000MW
größtes weltweit
PSKW Goldisthal 1060MW größtes in Deutschland
Gezeiten-KW <260MW
->5000MW geplant
Strömungs-KW
Sea Flow 300kW kein Netzanschluss
Hammerfest
300kW Prototyp
Wellen-KW OCW <200kW ->1,5MW
Seeschlange
750kW Parks bis 25MW geplant
*Vergleich: Braunkohle ->3000MW, Steinkohle ->2000MW, AKW ->1500MW
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Ende
Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit
Fragen???
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Quellen
www.wikipedia.de www.buch-der-synergie.de www.bmu.de www.energie-fakten.de www.wasserkraft.org
• Einleitung
•Aufbau eines Wasserkraftwerkes
• Typen von Wasserkraftwerken
• Auswirkungen
• Fazit