Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb, 4. Auflage

Inhaltsverzeichnis......Page 9
1.1 Ansätze der Wasserkraftnutzung......Page 23
1.3 Übergang vom Wasserrad zur Wasserturbine......Page 27
1.4 Fernübertragung elektrischer Energie......Page 29
1.5 Wasserkraftanlagen und ihre Umgebung......Page 30
1.6 Mehrzweckaufgaben der Wasserkraft......Page 33
1.7.1 Nutzung von fossilen Energieträgern und Kernbrennstoffen......Page 35
1.7.2 Nutzung erneuerbarer Energien......Page 36
1.7.3 Kriterien der Energieversorgung und Vergleich der Energieerzeugungsformen......Page 38
1.7.4 Künftige Entwicklung der Wasserkraftnutzung......Page 43
1.8 Literatur......Page 44
2.1.1 Energie des ruhenden Wassers......Page 45
2.1.2 Energie des fließenden Wassers......Page 46
2.1.3 Nutzbare Gesamtenergie des fließenden Wassers......Page 47
2.1.4 Potentielle Energie eines Speichervolumens......Page 51
2.2 Verfügbares Wasserkraftpotential......Page 52
2.3 Literatur......Page 58
3.1.1 Projektphasen......Page 59
3.1.2 Besondere Aspekte bei Reaktivierung, Modernisierung und Erweiterung......Page 62
3.1.3 Projektentwicklung im Rahmen von Finanzierungsmodellen......Page 64
3.2 Grundlagen für Auswahl und Weiterentwicklung von Wasserkraftstandorten......Page 66
3.2.1 Wassermengenwirtschaftliche Erhebungen......Page 67
3.2.2 Energiewirtschaftliche Erhebungen......Page 68
3.2.3 Ausbaugrad......Page 71
3.3 Beurteilung von Wasserkraftanlagenprojekten......Page 74
3.3.1 Betriebswirtschaftliche Betrachtung......Page 75
3.3.2 Gesamtwirtschaftliche und gesamtgesellschaftliche Betrachtung......Page 89
3.3.3 Ansatz für eine systematische Beurteilung von Wasserkraftanlagenprojekten......Page 92
3.4.1 Rechts- und Normhierarchie......Page 95
3.4.2 Wesentliche Rechtsnormen für die Wasserkraft......Page 96
3.5 Versicherung von Wasserkraftanlagen......Page 102
3.6 Literatur......Page 104
4.1 Klassifizierung der Wasserkraftanlagen......Page 105
4.2.1 Niederdruckkraftwerke......Page 107
4.2.2 Mitteldruckkraftwerke......Page 116
4.2.3 Hochdruckkraftwerke......Page 117
4.3.1 Pumpspeicherkraftwerke als Regelungskraftwerke......Page 120
4.3.2 Kleinwasserkraftanlagen......Page 123
4.3.3 Dotationskraftwerke......Page 126
4.3.4 Energienutzung in Leitungssystemen......Page 127
4.4.1 Nutzung der Gezeitenenergie......Page 129
4.4.2 Nutzung der Meeresströmung......Page 138
4.4.3 Wellenenergienutzung......Page 139
4.4.5 Depressionskraftwerke......Page 143
4.4.6 Gletscherkraftwerk......Page 144
4.5 Literatur......Page 145
5 Wasserfassung......Page 147
5.1.2 Entnahme aus Fließgewässern......Page 148
5.1.3 Entnahme aus stehenden Gewässern......Page 155
5.1.4 Bemessungsgrundlagen für das Einlaufbauwerk......Page 157
5.2 Schutz gegen Treibgut und Treibeis......Page 169
5.2.1 Rechenanlagen......Page 170
5.2.2 Tauchwand und Schwimmbalken......Page 179
5.3 Verschlußorgane......Page 181
5.4 Literatur......Page 184
6.1 Hydraulische Bemessung......Page 187
6.2 Sedimenttransport......Page 196
6.3 Wellenbildung und Wasserspiegelschwingungen......Page 200
6.4 Konstruktive Ausbildung und Befestigungen......Page 202
6.5 Übergang in Druckrohrleitungen......Page 207
6.6 Literatur......Page 209
7.1 Konstruktive Ausbildung......Page 211
7.2.1 Bemessungsgrundlagen......Page 215
7.2.2 Beckenbemessung......Page 216
7.3 Literatur......Page 218
8.1 Rohrtypen und Rohrverbindungen......Page 219
8.1.1 Stahlrohre......Page 221
8.1.3 Betonrohre......Page 225
8.1.4 Rohre aus glasfaserverstärktem Kunststoffharz......Page 226
8.1.5 Holzrohre......Page 228
8.2.1 Hydraulische Grundlagen......Page 229
8.2.2 Wirtschaftlichster Rohrdurchmesser......Page 234
8.3 Dynamische Strömungsvorgänge - Druckstöße in Rohrleitungen......Page 236
8.3.1 Druckwellengeschwindigkeit......Page 237
8.3.2 Druckstoßberechnung......Page 241
8.3.3 Charakteristikenverfahren......Page 249
8.3.4 Abminderung von Druckstößen......Page 253
8.4 Statische Bemessung von Druckrohrleitungen......Page 254
8.4.1 Spannungen und Rohrwanddicke......Page 255
8.4.2 Einbeulen und Verformen......Page 260
8.4.3 Äußere Belastungen von Druckrohrleitungen......Page 263
8.4.4 Schnittgrößen in Rohrringrichtung bei eingeerdeten Druckrohrleitungen......Page 286
8.4.5 Maßgebende Nachweise für die Druckrohrleitungsbemessung......Page 289
8.5.1 Rohrkrümmer......Page 293
8.5.2 Fixpunkte und Zwischenauflager......Page 295
8.5.3 Dehnungsausgleicher......Page 304
8.6 Literatur......Page 306
9.1 Konstruktive Ausbildung......Page 309
9.2 Statische Bemessung......Page 312
9.3 Literatur......Page 325
10.1 Typen......Page 327
10.2.1 Bemessung nach dem Flächenvergleichsverfahren......Page 329
10.2.2 Überschlägige Bemessung eines Hosenrohres......Page 336
10.2.3 Spannungsermittlung mit der Finite-Element-Methode......Page 340
10.3 Literatur......Page 354
11.1 Anordnung......Page 355
11.2.1 Hydraulische Trennung des Zuleitungsdruckstollens von der Falleitung......Page 356
11.2.3 Verbesserung der Regelung......Page 357
11.3.1 Kriterien für die Entwicklung verschiedener Wasserschloßformen......Page 358
11.3.3 Typisierung nach der hydraulischen Funktionsweise......Page 359
11.4.1 Schachtwasserschloß - Grundgleichungen......Page 362
11.4.2 Gedrosseltes Wasserschloß......Page 365
11.4.3 Differentialwasserschloß......Page 367
11.4.4 Lösungsmethoden......Page 368
11.4.5 Stabilitätsproblem......Page 383
11.4.6 Schwingungsvorgänge......Page 386
11.4.7 Bemessungs- und Optimierungsaufgaben......Page 387
11.4.8 Überschlagsformeln......Page 388
11.4.9 Wasserschloß und Triebwasserleitung......Page 389
11.5.3 Windkessel-Wasserschloß......Page 401
11.6 Literatur......Page 411
12.1.1 Aufgaben und Anordnung......Page 413
12.1.2 Grundtypen......Page 415
12.1.3 Gebräuchliche Schieber in Turbinen- und Pumpenleitungen......Page 416
12.1.5 Schnellschlußorgane......Page 417
12.1.6 Be- und Entlüftungsventile......Page 419
12.1.7 Hilfseinrichtungen......Page 420
12.2.2 Verlusthöhen......Page 421
12.2.3 Durchfluß und Ausfluß......Page 423
12.2.4 Ermittlung der Energiehöhen......Page 427
12.2.5 Kavitation......Page 428
12.2.7 Schwingungen......Page 431
12.3 Gestaltungsgrundsätze......Page 432
12.4 Antrieb und Steuerung......Page 433
12.5.1 Keilschieber und Flachschieber......Page 434
12.5.2 Drosselklappen......Page 437
12.5.3 Kugelschieber......Page 443
12.5.4 Ringschieber und Hohlstrahlschieber......Page 447
12.5.5 Kegelstrahlschieber......Page 454
12.6 Literatur......Page 460
13 Krafthaus......Page 461
13.1 Krafthaustypen......Page 462
13.1.1 Grundlegende Unterscheidungsmerkmale der Krafthaustypen......Page 463
13.1.2 Besondere Aspekte bei unterschiedlichen Wasserkraftanlagentypen......Page 471
13.2.1 Grundprinzipien der Regelungs- und Leittechnik......Page 477
13.2.2 Fuzzy Logik zur Abbildung von Steuerungs- und Regelungsvorgängen......Page 481
13.3.1 Betriebs-, Anlagen- und Arbeitssicherheit bei Wasserkraftanlagen......Page 490
13.3.2 Instandhaltung und Erneuerung von Wasserkraftanlagen......Page 495
13.4 Literatur......Page 497
14.1 Unterscheidungsmerkmale......Page 499
14.1.1 Bauweise hinsichtlich Wellenausrichtung und Wasserzuführung......Page 500
14.1.4 Einteilung in Abhängigkeit der spezifischen Drehzahl n[sub(q)] und der Fallhöhe h[sub(f)]......Page 501
14.2.1 Turbinendrehmoment......Page 503
14.2.2 Fallhöhe, Energiehöhe, spezifische Stutzenarbeit......Page 505
14.2.3 Spezifische Drehzahl, Drehzahl, Synchrondrehzahl......Page 506
14.2.4 Dimensionslose Kennwerte......Page 509
14.2.5 Druckkennzahlen zur Kavitationsbeurteilung......Page 510
14.2.6 Turbinenkennlinien......Page 512
14.2.7 Numerische Strömungsberechnung......Page 521
14.3.1 Bauteile von Überdruckturbinen......Page 523
14.3.3 Turbinenwelle, Getriebe und Turbinenlager......Page 533
14.3.4 Getriebe und Riemenantrieb......Page 535
14.4 Turbinenregelung......Page 536
14.4.1 Turbinenregelungsarten......Page 537
14.4.2 Steuerung der Turbinenregelung......Page 541
14.5.1 Kreiselpumpen......Page 544
14.5.2 Pumpenturbinen......Page 553
14.6 Literatur......Page 556
15.1.1 Konstruktion und Betriebsweise......Page 559
15.1.2 Bemessung......Page 569
15.2.1 Konstruktion und Betriebsweise......Page 575
15.2.2 Bemessung......Page 579
15.3.1 Konstruktion und Betriebsweise......Page 582
15.3.2 Unterschied zwischen Francis- und Pelton-Turbine......Page 587
15.3.3 Bemessung......Page 588
15.4.1 Konstruktion und Betriebsweise......Page 593
15.4.2 Bemessung......Page 595
15.5.1 Wasserräder......Page 596
15.5.2 Wasserkraftschnecken......Page 599
15.6 Literatur......Page 601
16.1 Grundlagen der elektrischen Energietechnik......Page 603
16.1.1 Gleichstromtechnik......Page 604
16.1.2 Wechselstromtechnik......Page 607
16.1.3 Wechselwirkungen und Zusammenhänge zwischen elektrischen Strömen und Spannungen und magnetischen Feldern......Page 611
16.1.4 Kraftwirkung durch das Zusammenwirken magnetischer Felder......Page 615
16.2 Grundprinzip der elektromagnetischen Energieumwandlung......Page 616
16.3 Elektrische Maschinen und Transformatoren in Wasserkraftanlagen......Page 618
16.3.1 Transformatoren......Page 619
16.3.2 Bewegte elektrische Maschinen......Page 621
16.3.3 Synchrone Wasserkraftgeneratoren......Page 624
16.3.4 Asynchrongeneratoren......Page 628
16.3.5 Generatorschutz und -überwachung......Page 630
16.3.6 Entwicklungstendenzen bei Wasserkraftgeneratoren......Page 632
16.4.1 Leerlauf......Page 635
16.4.2 Generatorbetrieb......Page 636
16.4.4 Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten......Page 637
16.4.5 Synchronisation......Page 638
16.4.7 Blindleistungs- bzw. Phasenschieberbetrieb......Page 639
16.4.9 Belastungsgrenzen der Synchronmaschine......Page 640
16.5 Bemessung von Wasserkraftgeneratoren......Page 641
16.5.1 Kühlung......Page 642
16.5.2 Einbau und Anordnung......Page 643
16.5.4 Erregereinrichtungen......Page 645
16.5.5 Dimensionierung......Page 646
16.5.6 Durchgangsdrehzahl......Page 647
16.5.7 Kurzschlußfestigkeit......Page 648
16.6 Aufbereitung und Verteilung der Drehstromenergie......Page 651
16.6.2 Transformatoren......Page 652
16.6.4 Schaltanlagen und Energieableitung......Page 653
16.6.5 Einbindung der Kraftwerke in das elektrische Verbundsystem......Page 655
16.7 Literatur......Page 659
17.1 Zielsetzung......Page 661
17.2 Pumpspeichersysteme......Page 663
17.3 Historische Entwicklung der Pumpspeicherung......Page 665
17.4 Bautechnische Gesichtspunkte......Page 666
17.5 Maschinentechnische Gesichtspunkte......Page 670
17.6 Betriebsweisen von Pumpspeicherwerken......Page 671
17.7 Pumpspeicherkraft in Deutschland......Page 677
17.8.1 Extreme Förderhöhen und Leistungen......Page 679
17.8.2 Untertage-Pumpspeicherkraftwerke......Page 680
17.8.3 Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerke......Page 681
17.8.4 Luftspeicherkraftwerke......Page 683
17.8.5 Pumpspeicherwerk mit drehzahlvariablen Maschinensätzen......Page 685
17.9 Literatur......Page 687
18 Wasserkraft und Umwelt......Page 689
18.1 Einflüsse auf die Atmosphäre......Page 691
18.2 Beeinflussung der ober- und unterirdischen Gewässer......Page 693
18.2.1 Veränderung der Gewässercharakteristik......Page 694
18.2.2 Wechselwirkungen mit dem Grundwasser......Page 699
18.3 Einflüsse auf das biologische System......Page 700
18.3.1 Bedeutung von Strömung und Substrat......Page 701
18.3.3 Sauerstoffhaushalt......Page 706
18.3.4 Selbstreinigungsprozesse......Page 709
18.3.5 Treibgut......Page 710
18.3.6 Ufer- und Stauraumgestaltung......Page 711
18.4 Einflüsse auf die oberen Bodenschichten......Page 712
18.6 Auswirkungen auf den Menschen......Page 713
18.7.1 Wasserkraft und Bewässerung......Page 715
18.7.2 Umweltrelevante Gestaltungsmaßnahmen von Stauanlagen in Entwicklungsländern der wärmeren Klimazonen......Page 717
18.7.3 Energetische Bewertung der Flächen-Inanspruchnahme von Wasserspeichern......Page 719
18.9 Literatur......Page 724
19.1 Gebräuchliche Methoden zur Mindestwasserfestlegung......Page 727
19.1.1 Kenngrößen......Page 728
19.1.2 Einfache Verfahren......Page 729
19.1.3 Habitatsimulationsmodelle......Page 730
19.2 Mindestwasserregelungen in Deutschland......Page 733
19.3 Vorgehensweise zur Bestimmung von Mindestwasserregelungen aus heutiger Sicht......Page 734
19.4.1 Konzeption im Hinblick auf Mindestwasserregelungen......Page 735
19.4.2 Gewässersohle......Page 736
19.4.3 Freiwasserraum und Fischhabitate......Page 739
19.5 Auswirkungen der Mindestwasserabgaben auf die Energieerzeugung in Wasserkraftanlagen......Page 750
19.6 Literatur......Page 751
20 Durchgängigkeit für die Aquafauna an Wasserkraftstandorten......Page 753
20.1.1 Anordnung von Fischaufstiegsanlagen......Page 755
20.1.2 Ausbildung des Einstiegs in Fischaufstiegsanlagen......Page 757
20.1.3 Leitströmung im Einstiegsbereich......Page 759
20.1.5 Dimensionierung von Fischaufstiegsanlagen......Page 760
20.1.6 Gestaltung der Sohle in Fischaufstiegsanlagen......Page 761
20.1.7 Ausstieg aus Fischaufstiegsanlagen......Page 762
20.1.10 Störungsvermeidung und Lenkung der Öffentlichkeit......Page 763
20.2 Bauweisen von Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbaren Querbauwerken......Page 764
20.2.1 Beckenpässe......Page 765
20.2.3 Rauhgerinne-Beckenpaß......Page 768
20.2.5 Denil- oder Gegenstrompaß......Page 769
20.2.6 Aalpaß......Page 770
20.2.7 Fischschleuse......Page 771
20.2.9 Umgehungsgerinne......Page 772
20.2.10 Sohlenbauwerke......Page 773
20.3 Fischschutz- und Fischabstiegseinrichtungen......Page 774
20.4 Literatur......Page 776
21 Ausführungsbeispiele......Page 777
21.1 Hochrheinkraftwerk Säckingen......Page 778
21.2.1 Werksgruppe Schluchsee......Page 780
21.2.3 Merkmale des Pumpspeicherbetriebes......Page 781
21.3 Kraftwerksgruppe Schluchsee......Page 783
21.4.1 Pumpspeicherwerk Säckingen......Page 788
21.4.2 Pumpspeicherwerk Hombergstufe......Page 791
21.5 Geplante Ausbaustufen der Schluchseewerke......Page 803
21.6 Das Großprojekt Drei-Schluchten-Kraftwerk am Jangtse/China......Page 804
21.7 Kleinwasserkraftanlage Großarl......Page 806
21.8 Literatur......Page 812
22.1 Kenngroßen und Symbole......Page 813
22.3 Einheitenabkürzungen......Page 827
22.4 Einheiten und Umrechnungsfaktoren......Page 828
B......Page 831
D......Page 832
E......Page 834
F......Page 836
G......Page 838
K......Page 839
M......Page 841
P......Page 842
R......Page 844
S......Page 845
T......Page 847
U......Page 848
V......Page 849
W......Page 850
Z......Page 852