Wasserkraftprojekte Band II (eBook)

Dr.-Ing. Heimerl, Chefredakteur der Fachzeitschrift WasserWirtschaft

Wasserkraft – noch immer eine innovationsfähige Technologie! 5
Faszination Wasserkraft 7
Inhaltsverzeichnis 9
Wasserkraftwerke und Architektur 12
Wasserkraftwerke und Architektur 13
1 Wasser und Architektur – eine mehrfache Wechselbezüglichkeit 13
2 Wasser – formoffen und Gestaltvielfalt 13
3 Kontextbeispiele 16
4 Zusammenfassung 19
Kaplan-Turbine 21
Viktor Kaplan und seine bahn brechenden Erfindungen – Zum Andenken an das 100-jährige Jubiläum der Patent einreichung 22
1 Einleitung 22
2 Die Bedeutung der Kaplan-Turbine 23
3 Die Entdeckung und Erforschung der Kavitation 25
4 Numerische Simulation der Kavitation in Kaplan-Turbinen 26
5 Grenzen der numerischen Berechnung 27
6 Das Kaplan‘sche Konstruktionsverfahren 29
Viktor Kaplan – Höhen und Tiefen eines Erfinderlebens 32
1 Persönliches 32
2 Familiäre Wurzeln und Heranwachsen 33
3 Studien und Militärzeit 34
4 Beruflicher Erfolg und privates Glück 37
5 Entscheidende Entwicklungen 40
6 Schwere Zeiten und der Erfolg 42
7 Viel in Bewegung 44
8 Schwere Schicksalsschläge 45
9 Ende des Kampfes 46
10 Die Zeit der Anerkennung 48
11 Leben auf Rochuspoint 49
12 Abschied von dieser Welt 50
Die Entwicklung der Kaplan-Turbine 53
1 Der Erfinder Viktor Kaplan 53
2 Die Erhöhung der spezifischen Drehzahl 54
3 Die Entwicklungsschritte von der Francis-zur Kaplan-Turbine 56
4 Erweiterung des Betriebsbereiches durch im Betrieb verstellbare Laufradschaufeln 57
5 Die Bedeutung des Saugrohres für die Kaplan-Turbine 58
6 Die Kaplan-Turbine, eine herausragende Erfindung ihrer Zeit 60
Viktor Kaplan und seine Turbine bei Voith 63
1 Der Wasserturbinenbau bei Voith in der Ära Friedrich Voith 1867 bis 1913 63
2 Das Jahr 1913 63
3 Die erste Modellmessung 1916 bei Voith in Hermaringen 65
4 Stillstand, Unfrieden, Neuanfang und die erste Voith-Kaplan-Turbine 66
5 Das Verhältnis Viktor Kaplan zur Kaplan-Vereinigung 69
7 Die Kaplan-Turbine bei Voith heute 71
6 Die weitere Entwicklung bei Voith 71
1 Die Anfänge 74
Gegenwart und Zukunft der Kaplan-Turbine bei Andritz Hydro 74
2 Die Gegenwart 75
3 Die Zukunft 77
2 Prof. Ing. Leopold Grimm (1862 bis 1939) 81
Viktor Kaplan und sein in Brünn geschaffenes Werk 81
1 Einleitung 81
3 Prof. Dr.-Ing. Viktor Kaplan (1876 bis 1934) 82
4 Abteilung für Fluid-Engineering Viktor Kaplan an der Technischen Universität Brünn 84
Potenziale 86
Wasserkraft in Baden-Württemberg – Stand und technische Entwicklungen 87
1 Stand und Ausbaupotenzial der Wasserkraft in Baden-Württemberg 87
2 Technische Entwicklungen 88
3 Zusammenfassung und Ausblick 91
Simulation von Gezeitenströmungen zur Standortanalyse und Bestimmung vorhandener Potenziale 93
1 Einleitung 93
2 Die Simulation 94
3 Zusammenfassung 97
Die Bundeswasserstraßen als Energiespeicher – Potenzial und Herausforderungen 99
1 Notwendigkeit von Energiespeichern 99
2 Die Bundeswasserstraßen und ihr Potenzial als Energiespeicher 99
3 Vorteile und Herausforderungen 100
4 Anwendungsbeispiel 102
Umnutzung von Talsperren für die Energiewende 105
1 Vorbemerkungen 105
2 Rahmenbedingungen für den Betrieb von Talsperren 105
3 Einbeziehung vorhandener Talsperren als Unterbecken 106
4 Wasserspeicherkraftwerk Schmalwasser 107
Ausnutzung des Wasserkraftpotenzials des Talsperrenbetriebes Sachsen-Anhalt unter Beachtung der hoheitlichen „Tätigkeit als Anstalt des öffentlichen Rechts" 111
1 Geschichtlicher Rückblick bis 1990 111
2 Geschichtlicher Rückblick ab 1990 112
3 Aufbau und Umsetzung 114
4 Ausblicke 115
5 Fazit 116
Potenzialstudie für Pumpspeicherkraftwerke in Baden-Württemberg 118
1 Einleitung und Zielstellung der Studie für Baden-Württemberg 118
2 Systematik der Potenzialstudie 118
3 Fazit 124
GIS-basierte Standortsuche für Pumpspeicherwerke in Norwegen 126
1 Einleitung 126
2 Zielsetzung 126
3 Methodik 126
4 Pumpspeicherpotenzial in Norwegen 129
Entwicklungen 132
Numerische Untersuchungen mit Telemac bei Wasserkraftanlagen – zwei Fallstudien 133
1 Fallstudie 1: Strömungssimulationen in einem Stauraum 133
2 Fallstudie 2: Strömungssimulationen in einem Entsander 136
3 Resümee 141
Wasserkraftpotential einfach und effizient nutzen: StreamDiver®Technologie von Voith 143
1 Motivation 143
2 Technischer Aufbau und Pilotanlage 143
3 Hydraulische Entwicklung 145
4 Zusammenfassung 148
Nutzung kleiner Fallhöhen – ein Beitrag aus Forschung und Entwicklung 150
1 Motivation 150
2 Ansätze zur ökologischen Optimierung des Wasserrades nach Zuppinger 151
4 Zusammenfassung und Ausblick 153
3 Nutzung des Dethridge Wheels in Bewässerungskanälen 153
Strömungsverhalten in wassergeschmierten Axialund Radialgleitlagern 156
1 Motivation 156
2 Einführung 156
3 Numerische Strömungsanalyse von radialen Gleitlagern 157
4 Numerische Strömungsanalyse und experimentelle Unter suchung eines vereinfachten hydrostatischen Axiallagers 158
4 Zusammenfassung und Ausblick 161
Betriebsbereiche und Wirkungsgrade der Wasserkraftschnecke 163
1 Hintergrund und Konzept 163
2 Methodik 164
3 Ergebnisse 166
4 Zusammenfassung und Interpretation 169
5 Ausblick 170
Betriebsarten von Wasserkraftschnecken 173
1 Einführung 173
2 Zusammenhang zwischen Durchfluss und Drehzahl 174
3 Wirkungsgradmessungen 175
4 Verluste 178
5 Zusammenfassung 179
Experimentelle Untersuchungen an einem Wasserwirbel-Kraftwerk 181
1 Einleitung 181
2 Modell (Konstruktion) 181
3 Physikalisches Modell 184
4 Ergebnisse 185
5 Zusammenfassung und Ausblick 189
Entwicklung kleiner Pumpturbinen – Vorteile eines modularen Ansatzes 191
1 Einleitung 191
2 Die 20-20-20-Ziele der EU und die Rolle der Pumpspeicherung 192
3 Pumpspeicheranlagen mit kleinen Leistungen in den internationalen Statistiken 194
4 Pumpturbinenkonzept für kleine bis mittlere Leistungen 194
5 Zusammenfassung 196
Ride the Tide – Tidenturbinen forschung an der TU Berlin 198
1 Einleitung 198
2 Stand der Technik 198
3 Forschung an Tidenturbinen 199
4 Auslegungsverfahren von Tidenturbinen 201
5 Tidenturbinen im Labor gegen über der Hochseeaufstellung 202
Projekte 204
Die Wasserkraftanlage Leerstetten am Main-Donau-Kanal 205
1 Zwei Systeme – drei Aufgaben 205
2 Die Wasserkraftanlage Leerstetten 206
Ausgangslage am neuen Wasserkraftwerk Rheinfelden 212
1 Das alte Kraftwerk 212
2 Neue Konzessionen und Baugenehmigung 213
3 Hydraulische Modellversuche Gesamtanlage 215
4 Strommarktliberalisierung bedingt Projektänderungen 216
Neubau des Stauwehrs in Rheinfelden 220
1 Planungsauftrag und vorbereitende Maßnahmen 220
2 Neue Grobrechenanlage 220
3 Abbruch alter Grobrechen am Kanaleinlauf 220
4 Sicherung Kanalmauer 221
5 Verlegung 20/110-kV-Leitungen 221
6 Erste Baugrube 221
7 Zweite Baugrube 223
8 Rückbau des alten Stauwehrs 225
Rohbau des Maschinenhauses Rheinfelden 227
1 Deponierung des Aushubmaterials 227
2 Dritte Baugrube 227
Turbinen, Generatoren und Stahlwasserbau des neuen Wasserkraftwerks Rheinfelden 236
1 Turbinen und Generatoren 236
2 Stahlwasserbau 243
Elektround Leittechnik des neuen Wasserkraftwerks Rheinfelden 246
1 Elektrotechnik 246
2 Leittechnik 249
Nebenanlagen des neuen Wasserkraftwerks Rheinfelden 254
1 Heizung/Klima/Lüftung (HKL) 254
2 Brandschutz 254
3 Kleinbootsübersetzeinrichtung 255
4 Sicherheitsund Gesundheitsschutz 255
Inbetriebsetzung und Betrieb des neuen Wasserkraftwerks Rheinfelden 258
1 Inbetriebsetzung 258
2 Betrieb 260
Rückbau der Altanlage Kraftwerk Rheinfelden 263
1 Genehmigungsrechtliche Voraussetzungen 263
2 Anforderungen an den Rückbau 263
3 Übersicht der rückzubauenden Anlagenteile 266
4 Vorbereitungsphase Rückbau 266
5 Start des Rückbaus, Vorgehensweise 268
6 Massen und Mengen 269
Bauperipherie beim neuen Wasserkraftwerk Rheinfelden 271
1 Einleitung 271
2 Sicherung Schloss Beuggen 271
3 Evonik Rheinfelden 276
4 Aluminium Rheinfelden 276
5 Weitere Anlagen im Höherstaubereich 277
Entwurf des Pumpspeicherkraftwerks Lagobianco 280
1 Einleitung 280
2 Bauliche Anlagen des Projekts Lagobianco 280
3 Maschinelle Ausrüstung 283
4 Weitere Aspekte für die Planung des Projekts Lagobianco 284
Pumpspeicherkraftwerke 286
Pumpspeicherkraftwerke zwischen politischem Wunsch und ökonomi scher Realität 287
1 Das Erneuerbare-EnergienGesetz und seine Konsequenzen 287
2 Marktmechanismen 289
3 Speicherbedarf 291
4 Potenziale der Pumpspeichertechnologie 291
Potenziale für Pumpspeicherkraft werke: Studien für Thüringen und BadenWürttemberg 293
1 Einleitung 293
2 Methodik 294
3 Ergebnisse 298
4 Fazit 298
Das Rudolf-Fettweis-Werk in Forbach – Ein Pumpspeicherwerk auf dem Weg in die Zukunft 300
1 Historie Rudolf-Fettweis-Werk 300
2 „Werdegang” der Planungen 300
3 Oberstufe aktuell im Entwurf 302
4 Unterstufe mit Kavernenwasserspeicher 304
5 Ausblick 305
Ein Beitrag zur Druckstoßberechnung von Pumpspeicheranlagen 307
1 Einleitung 307
2 Modellierung einer Pumpturbine zur Druckstoßberechnung 309
3 Benchmarking 313
4 Vergleich der Berechnungsergebnisse 315
5 Zusammenfassung 316
Alternatives Pumpspeicherkonzept in Form eines Unterflur-Lageenergiespeichers mit Sekundärspeicher 319
1 Aufbau und Funktion der Anlage 319
2 Errichtung der Anlage 322
4 Ausblick 327
3 Wartung und Reparatur von Anlageteilen 327
Pumpspeicheranlagen – Entwicklungsschritte im Rückblick und Ausblick 330
1 Einführung 330
2 Stationen der Entwicklung 330
3 Möglicher Ausblick 336
Chancen und Risiken untertägiger Pumpspeicherwerke in Steinkohlebergwerken im Ruhrrevier 339
1 Ausgangssituation und Vorarbeiten 339
2 Nutzung bestehender Infrastrukturkomponenten des Steinkohlebergbaus 340
3 Systemkonfigurationen für untertägige Pumpspeicher 342
4 Energetische Potenziale am Beispiel des Bergwerkes Prosper-Haniel 342
5 Laufendes Verbundvorhaben 343
Unterirdische Pumpspeicherwerke – eine Alternative? 345
1 Einleitung 345
2 Bisherige Konzepte 345
3 Hydraulische Machbarkeit 346
4 Schlussfolgerungen 347
Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicherwerken am Spotmarkt 350
1 Einleitung 350
2 Rahmenbedingungen und Parameter 351
3 Deterministisches Modell 351
4 Stochastisches Modell 352
5 Bewertung der Wirtschaftlichkeit am Spotmarkt 353
6 Zusammenfassung 354
Tiefspeicherdimensionierung unterirdischer Pumpspeicherwerke – Numerische Modellierung 356
1 Einleitung 356
2 Entwicklung des numerischen 3-D-Modells 357
3 Validierung 359
4 Variantenstudie 361
5 Zusammenfassung und Ausblick 361
Ökologie und Rahmenbedingungen 364
Hochwasserschutz contra Wasserkraft – ein unlösbarer Konflikt? 365
1 Vorplanungsphase des Rückhaltebeckens 365
2 Öffentliche Planungsvariante 3b für das Rückhaltebecken 365
3 Private Planungsvariante 3K 366
4 Hochwasserrückhaltebecken an der Breg 368
5 Zusammenfassung 369
Neubau der Wasserkraftanlage Willstätt mit Fischschutz und vollständiger Fischwechselanlage 371
1 Einleitung 371
2 Beschreibung der Anlage 372
3 Zusammenfassung 376
Die fischfreundliche Turbine – ein innovativer Lösungsansatz 378
1 Modellbetrachtung 378
2 Umsetzung der theoretischen Zusammenhänge in ein fischfreundliches Hydraulikdesign 379
3 Leistungsmessungen an einer fischfreundlichen Turbine 381
4 Feld-Tests zur Bestimmung der Mortalitätsrate 382
5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 383
Wasserkraft und/oder Naturschutz? – Variantenuntersuchung zur Sanierung der Unteren Salzach 385
1 Einführung 385
2 Variantenuntersuchung 386
3 Stand der Bearbeitung und Ausblick 391
Bewirtschaftung alpiner Speicherkraftwerke unter Berücksichtigung klimatischer und wirtschaftlicher Veränderungen 394
1 Einleitung 394
2 Fallstudie 394
3 Methode 394
4 Ergebnisse 398
5 Diskussion 399
Lenkungswirkung der ErneuerbareEnergien-Gesetze (EEG 2004 und 2009) für die ökologische Modernisierung von Wasserkraftanlagen – 401
1 Einleitung 401
2 Gewässerökologische Maßnahmen nach EEG 2009 402
3 Die Umfrage 402
4 Fazit 407
Energieeffizienz in der Fernwasserversorgung am Beispiel der Landeswasserversorgung 409
1 Einleitung 409
2 Die Energiebilanz der Landeswasserversorgung 409
3 Optimierung des Pumpenbetriebs 410
4 Optimierung des Wassergewinnungsbetriebs 412
5 Energieoptimierter Betrieb regelbarer Trinkwasserturbinen 414
7 Fazit und Ausblick 416
6 Trinkwasserkleinturbinen 416
Geschichte und Hintergrund des Protokolls zur Evaluierung der Nachhaltigkeit von Wasserkraftprojekten 421
1 Anfängliche Entwicklung in den Jahren 2000 bis 2008 421
2 Forum zur Evaluierung der Nachhaltigkeit von Wasserkraftprojekten (2008 bis 2010) 421
3 Erste Einführung (2011 bis 2013) 423
4 Weiterentwicklung (2013/2014) 427
5 Zusammenfassung 428
Wozu ein freiwilliges Protokoll für Wasserkraft wenn es doch Standards gibt? 430
1 Einleitung 430
2 Gegenüberstellung des Protokolls mit existierenden Instrumenten 430
4 Ausblick 435
Das Nachhaltigkeitsprotokoll für Wasserkraft aus Sicht des WWF 438
1 Umweltschutz und Wasserkraft – Konflikte, Chancen und Visionen 438
2 Was das Protokoll leisten kann 440
3 Ein vorläufiges Fazit 441
Motivation eines Lieferunternehmens zur Unterstützung und Messung von Nachhaltigkeit bei der Planung und Umsetzung von Wasserkra 443
1 Nachhaltigkeit als Konzernphilosophie bei Voith 443
2 Aspekte der Nachhaltigkeit und Verantwortlichkeiten bei Voith und Voith Hydro 443
3 Nachhaltigkeitsansätze in der Wasserkraftindustrie 445
5 Fazit 447
Anwendbarkeit des Protokolls zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Wasserkraftwerken bei staatlichen Exportkreditgarantien 451
1 Hermesdeckungen 451
2 Umwelt-und Sozialverträglichkeitsprüfung 451
3 Angewandte Prüfstandards 452
4 Das Hydropower Sustainability Assessment Protocol 453
5 Herausforderungen 454
Erkenntnisse aus der ersten praktischen HSAP-Anwendung in Europa aus Sicht von E.ON 456
1 Einführung 456
2 Das HSA-Protokoll in der Praxis 457
3 Erkenntnisse aus der Sicht eines Energieversorgungsunternehmens 461
4 Schlussfolgerungen 463
Fischschutz und Fischabstieg im Dialog – Forum „Fischschutz und Fischabstieg“ 465
1 Einleitung 465
2 Das Forum „Fischschutz und Fischabstieg“ 466
3 Umweltpolitische Rahmenbedingungen 467
4 Strategische, flussgebietsbezogene und populationsbiologische Aspekte 469
5 Erfahrungen mit der Umsetzung von Fischschutz und Fischabstiegsmaßnahmen und ihrer Funktionskontrolle 470
6 Umgang mit Kenntnislücken und Forschungsbedarf 471
7 Zusammenfassung und Ausblick 472
Fischschutz und Fischabstieg: Erfordernisse aus dem Blickwinkel eines Fischereiund Naturschutzverbandes 474
1 „Durch diese hohle Gasse muss er kommen!“ 474
2 Fischschäden: In der Summe oft mehr als die einzelnen Teile 474
3 Früher war alles besser?! 475
4 Wasserkraft maßgeblicher Einflussfaktor bei Fischpopulation 475
5 Fischschutz im öffentlichen Interesse 477
6 Forum Fischschutz 478
7 Vorwärts Fischschutz! 478
8 Wissensbedarf für Fischschutz an Wasserkraftanlagen ist enorm 478
9 Rückbau von Kleinwasserkraftanlagen 480
10 Schutz der Fischpopulation durch Steigerung des natürlichen Fischbestands? 480
11 Konstruktiver Dialog ohne Druck 480
Vorgehensweise zur Entwicklung von populationsunterstützenden Maßnahmen für die Fischarten am Inn in Oberbayern 483
1 Veranlassung 483
2 Zusammenarbeit mit allen Beteiligten 483
3 Wasserwirtschaftliche Verhältnisse am Inn 484
4 Defizitanalyse 486
5 Vorstellung der allgemeinen Herangehensweise zur Konzeptentwicklung von Maßnahmen 491
6 Beurteilung der Staustufen nach der ersten Umsetzungswelle bis Frühjahr 2014 493
Maßnahmen zur Förderung von Populationen bedrohter Fischarten am Inn (Oberbayern) im Rahmen des Gewässerunterhaltes 496
1 Veranlassung 496
2 Zusammenarbeit mit allen Beteiligten 496
3 Vorstellung der allgemeinen Herangehensweise zur Maßnahmenumsetzung und konkreter Maßnahmen 497
4 Beurteilung der Staustufen nach der ersten Umsetzungs welle bis Frühjahr 2014 505
5 Zusammenfassung der unterschiedlichen Gestaltungs möglichkeiten und Ausblick auf das anstehende Monitoring mit dortiger Zielrichtung 506
Maßnahmen zur Förderung von Fischpopulationen in Schwaben 509
1 Ausgangslage und Maßnahmenkonzept 509
2 Ausgewählte Maßnahmen 511
3 Ausblick 515
Funktionskontrolle der Fischwechselanlagen am Main-Kraftwerk Kostheim 518
1 Untersuchungsgegenstand und Methoden 518
2 Ergebnisse der Funktionskontrolle 522
3 Schlussfolgerungen 526
Durchgängigkeitskonzept Unstrut 529
1 Einleitung 529
2 Untersuchungsgebiet und Untersuchungsumfang 529
3 Durchgängigkeit 530
4 Standortkonzepte 532
5 Kosten 532
6 Auswirkungen der ökologischen Maßnahmen auf die Wirtschaftlichkeit von Wasserkraftanlagen 534
7 Zusätzlich ausbaubares Wasserkraftpotenzial 535
8 Lebensraumveränderung durch Stau und Ausleitung 535
9 Fazit 535
Autorenverzeichnis 538