Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb
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| Hauptverfasser: | , , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer Vieweg
2014
|
| Ausgabe: | 6., aktualisierte und erw. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XXVI, 940 S. graph. Darst. 25 cm |
| ISBN: | 9783642538704 |
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Titel: Wasserkraftanlagen
Autor: Giesecke, Jürgen
Jahr: 2014
Inhaltsverzeichnis
1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung 1
1.1 Ansätze der Wasserkraftnutzung 1
1.2 Wasserradgetriebene Schöpfwerke und Mühlen 5
1.3 Übergang vom Wasserrad zur Wasserturbine 7
1.4 Fernübertragung elektrischer Energie 9
1.5 Wasserkraftanlagen und ihre Umgebung 9
1.6 Mehrzweckaufgaben der Wasserkraft 13
1.7 Wasserkraftnutzung im Spiegelbild der Energieträger 14
1.7.1 Nutzung von fossilen Energieträgem und Kernbrennstoffen 14
1.7.2 Nutzung erneuerbarer Energien 15
1.7.3 Kriterien der Energieversorgung und Vergleich der
Energieerzeugungsformen 18
1.7.4 Künftige Entwicklung der Wasserkraftnutzung 23
1.7.4.1 Grundlegende Perspektiven 23
1.7.4.2 Beitrag der Wasserkraft zur Reduktion der Treibhausgasemissionen 24
1.8 Literatur 25
2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung 27
2.1 Energie des Wassers 27
2.1.1 Energie des ruhenden Wassers 27
2.1.2 Energie des fließenden Wassers 28
2.1.3 Nutzbare Gesamtenergie des fließenden Wassers 29
2.1.4 Potenziale zur Wasserkraftnutzung 33
2.1.5 Potenzielle Energie eines Speichervolumens 35
2.2 Verfügbares und genutztes Wasserkraftpotenzial 35
2.2.1 Wasserkraftpotenzial weltweit 35
2.2.2 Wasserkraftpotenzial in Deutschland 37
2.3 Literatur 42
3 Grundsätze der Planung und Projektierung 43
3.1 Planungsprozess, Projektentwicklung und Projektbewertung 43
3.1.1 Projektphasen 43
3.1.2 Besondere Aspekte bei Reaktivierung, Modernisierung und
Erweiterung 49
3.1.3 Projektentwicklung im Rahmen von Finanzierungsmodellen 51
3.1.4 Bewertungsaufgaben bei verschiedenartigen Vorhabensanlässen 53
3.1.4.1 Bewertungsfragestellungen in den Projektierungsphasen 53
Xu Inhaltsverzeichnis
3.1.4.2 Begutachtung und Due-Diligence-Prüfung bei Wasserkraft-
Vorhaben 54
3.1.4.3 Berücksichtigung der Umweltaspekte 56
3.1.5 Risikoanalyse für Wasserkraftanlagen 57
3.2 Grundlagen für Auswahl und Weiterentwicklung von
Wasserkraftstandorten 59
3.2.1 Wassermengenwirtschaftliche Erhebungen 59
3.2.2 Energiewirtschaftliche Erhebungen 62
3.2.3 Ausbaugrad 66
3.3 Beurteilung von Wasserkraftanlagenprojekten 68
3.3.1 Betriebswirtschaftliche Betrachtung 69
3.3.1.1 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen 70
3.3.1.2 Investitionsrechnung zur Untersuchung der Wirtschaftlichkeit 71
3.3.1.3 Grundlagen der Zinsrechnung, Abschreibung und Annuität 72
3.3.1.4 Statische Verfahren der Investitionsrechnung 74
3.3.1.5 Dynamische Verfahren der Investitionsrechnung 74
3.3.1.6 Besondere Kenngrößen bei Wasserkraftanlagen 76
3.3.1.7 Wirtschaftlichkeitsaspekte bei Pumpspeicherkraftwerken 84
3.3.2 Gesamtwirtschaftliche und gesamtgesellschaftliche Betrachtung 85
3.3.2.1 Grundlagen der gesamtgesellschaftlichen Bewertungsverfahren 85
3.3.2.2 Gesamtgesellschaftliche Bewertungsansätze bei
Wasserkraftprojekten 86
3.3.2.3 Bedeutung von Mehrzweckaufgaben 92
3.3.3 Ansatz für eine systematische Beurteilung von
Wasserkraftanlagenprojekten 94
3.4 Gesetzliche Vorgaben für Bau und Betrieb von Wasserkraftanlagen 97
3.4.1 Rechts- und Normhierarchie 97
3.4.2 Wesentliche Rechtsnormen für die Wasserkraft 98
3.5 Versicherung von Wasserkraftanlagen 105
3.6 Literatur 107
4 Typen von Wasserkraftanlagen 109
4.1 Klassifizierung der Wasserkraftanlagen 109
4.2 Einteilung von Wasserkraftanlagen hinsichtlich der Nutzfallhöhe 111
4.2.1 Laufwasserkraftwerke als Niederdruckkraftwerke 111
4.2.1.1 Flusskraftwerke 111
4.2.1.2 Ausleitungskraftwerke 119
4.2.2 Mitteldruckkraftwerke 120
4.2.3 Hochdruckkraftwerke 122
4.3 Weitere bedeutende Wasserkraftanlagengruppen 124
4.3.1 Pumpspeicherkraftwerke als Regelungskraftwerke 124
4.3.2 Kleinwasserkraftanlagen 127
4.3.3 Dotationskraftwerke 131
Inhaltsverzeichnis Xw*
4.3.4 Energienutzung in Leitungssystemen 132
4.4 Sonderformen der Wasserkraftnutzung 135
4.4.1 Meeresenergienutzung 135
4.4.1.1 Nutzung der Gezeitenenergie 135
4.4.1.2 Nutzung der Meeresströmung 144
4.4.1.3 Wellenenergienutzung 146
4.4.1.4 Gradienten- und Osmosekraftwerke 151
4.4.1.5 Auswirkungen auf die Umwelt durch die Meeresenergienutzung 152
4.4.2 Depressionskraftwerke 153
4.4.3 Gletscherkraftwerke 154
4.4.4 Wasserkraftanlagen mit unterirdischen Speichersystemen 155
4.5 Literatur 156
5 Wasserfassung 159
5.1 Anordnung, Bauweise und Bemessung des Einlaufbauwerkes 161
5.1.1 Kraftwerke im Fließgewässer 161
5.1.2 Entnahme aus Fließgewässern 161
5.1.3 Entnahme aus stehenden Gewässern 168
5.1.4 Bemessungsgrundlagen für das Einlaufbauwerk 170
5.2 Schutz gegen Treibgut und Treibeis 182
5.2.1 Rechenanlagen 183
5.2.1.1 Konstruktive Ausbildung 183
5.2.1.2 Bemessung 184
5.2.1.3 Betrieb und Wartung der Rechenanlagen 189
5.2.2 Tauchwand und Schwimmbalken 193
5.3 Verschlussorgane 195
5.4 Literatur 199
6 Freispiegelleitungen 201
6.1 Hydraulische Bemessung 201
6.2 Sedimenttransport 210
6.3 Wellenbildung und Wasserspiegelschwingungen 214
6.4 Konstruktive Ausbildung und Befestigungen 216
6.5 Übergang in Druckrohrleitungen 221
6.6 Literatur 223
7 Sandfang 225
7.1 Konstruktive Ausbildung 225
XIV Inhaltsverzeichnis
7.2 Bemessung 229
7.2.1 Bemessungsgrundlagen 229
7.2.2 Beckenauslegung 232
7.2.3 Komplexe Systeme 236
7.3 Literatur 236
8 Druckrohrleitungen 237
8.1 Rohrtypen und Rohrverbindungen 237
8.1.1 Stahlrohre 239
8.1.2 Druckrohre aus duktilem Gusseisen 243
8.1.3 Betonrohre 243
8.1.4 Rohre aus glasfaserverstärktem Kunststoffharz 244
8.1.5 Holzrohre 246
8.2 Hydraulische Bemessung von Druckrohrleitungen 247
8.2.1 Hydraulische Grundlagen 247
8.2.2 Wirtschaftlich optimaler Rohrdurchmesser 252
8.3 Dynamische Strömungsvorgänge - Druckstöße in Rohrleitungen 253
8.3.1 Druckwellengeschwindigkeit 255
8.3.2 Druckstoßberechnung 259
8.3.2.1 Joukowsky-Stoß 260
8.3.2.2 Einfluss der Schließzeit auf den Joukowsky-Stoß 261
8.3.2.3 Druckstoß nach der Theorie der starren Wassersäule 262
8.3.2.4 Druckstoß nach der Theorie der elastischen Wassersäule 264
8.3.3 Charakteristikenverfahren 267
8.3.4 Abminderung von Druckstößen 271
8.4 Statische Bemessung von Druckrohrleitungen 273
8.4.1 Spannungen und Rohrwanddicke 274
8.4.2 Einbeulen und Verformen 279
8.4.3 Äußere Belastungen von Druckrohrleitungen 282
8.4.3.1 Äußere Belastungen bei offen verlegten Druckrohrleitungen 288
8.4.3.2 Äußere Belastungen bei eingeerdeten Druckrohrleitungen 289
8.4.3.3 Äußere Belastungen bei grabenlos verlegten Druckrohrleitungen 300
8.4.4 Schnittgrößen in Rohrringrichtung bei eingeerdeten
Druckrohrleitungen 305
8.4.5 Maßgebende Nachweise für die Druckrohrleitungsbemessung 308
8.4.5.1 Spannungs-ZDehnungsnachweis 308
8.4.5.2 Tragfähigkeitsnachweis 308
8.4.5.3 Verformungsnachweis 309
8.4.5.4 Stabilitätsnachweis 309
8.4.6 Sicherheitsnachweis für Druckrohrleitungen in Anlehnung an den
Eurocode 312
Inhaltsverzeichnis XV
8.5 Trassierung, Rohrkrümmer, Rohrauflager und
Dehnungsausgleicher 314
8.5.1 Trassierung 314
8.5.2 Rohrkrümmer 314
8.5.3 Fixpunkte und Zwischenauflager 316
8.5.3.1 Auflagerkräfte 317
8.5.3.2 Beanspruchung der Rohrwandung im Auflagerbereich 319
8.5.4 Dehnungsausgleicher 325
8.6 Beurteilung von Schäden und der Sicherheit bestehender älterer
Druckrohrleitungen aus Stahl 326
8.6.1 Allgemeines 326
8.6.2 Untersuchungsschritte 326
8.6.3 Kennwerte 327
8.6.4 Entscheidungskriterien für den Weiterbetrieb von Altanlagen 328
8.7 Literatur 328
9 Druckstollen und Druckschächte 331
9.1 Konstruktive Ausbildung 331
9.2 Wirtschaftlich optimaler Durchmesser 334
9.3 Statische Bemessung 335
9.4 Spezielle Bemessungskriterien für Druckschächte und Druckstollen
ohne und mit Auskleidung 348
9.4.1 Übersicht und Aufgabenstellung 348
9.4.2 Hinweise für dichte Auskleidungen 349
9.4.3 Hinweise für durchlässige Auskleidungen 350
9.4 Literatur 351
10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen 353
10.1 Typen 353
10.2 Bemessung von Rohrabzweigen 355
10.2.1 Bemessung nach dem Flächenvergleichsverfahren 355
10.2.2 Überschlägige Bemessung eines Hosenrohres 362
10.2.3 Spannungsermittlung mit der Finite-Elemente-Methode 366
10.2.3.1 Die fünf Schritte der Finite-Elemente-Methode 366
10.2.3.2 Ermittlung von Verschiebungen, Verzerrungen und Spannungen 373
10.2.3.3 Umsetzung von Finite-Elemente-Berechnungen 377
10.3 Literatur 380
11 Wasserschlösser und Schwallkammern 381
11.1 Anordnung 381
XVI Inhaltsverzeichnis
11.2 Aufgaben 382
11.2.1 Hydraulische Trennung des Zuleitungsdruckstollens von der
Fallleitung 382
11.2.2 Dämpfung der Druckstoßentwicklung 383
11.2.3 Verbesserung der Regelung 383
11.2.4 Beschleunigter Ausgleich der Wasservolumina 3 84
11.3 Typen und Bauweisen 384
11.3.1 Kriterien für die Entwicklung verschiedener Wasserschlossformen 384
11.3.2 Bauliche Ausbildung 3 85
11.3.3 Typisierung nach der hydraulischen Funktionsweise 3 85
11.3.3.1 Einfache Becken- bzw. Schachtwasserschlösser 385
11.3.3.2 Kammerwasserschlösser 3 85
11.3.3.3 Gedrosselte Wasserschlösser 386
11.3.3.4 Differenzialwasserschlösser 387
11.3.3.5 Windkessel-Wasserschlösser 388
11.3.3.6 Dreikammerwasserschloss 388
11.4 Hydraulische Berechnung 390
11.4.1 Schachtwasserschloss - Grundgleichungen 390
11.4.2 Gedrosseltes Wasserschloss 393
11.4.3 Differenzialwasserschloss 394
11.4.4 Lösungsmethoden 396
11.4.4.1 Analytische Lösungen 396
11.4.4.2 Numerische Behandlung 405
11.4.5 Stabilitätsproblem 410
11.4.5.1 Die Thomaschen Stabilitätskriterien 410
11.4.5.2 Beschleunigungs- bzw. Verzögerungszeit ta 411
11.4.6 Schwingungsvorgänge 413
11.4.7 Bemessungs-und Optimierungsaufgaben 414
11.4.8 Überschlagsformeln 415
11.4.9 Wasserschloss und Triebwasserleitung 416
11.4.9.1 Gekoppeltes Schwingungsverhalten 416
11.4.9.2 Gekoppelte Berechnung im Zeitbereich 418
11.4.9.3 Lastvorgaben für die Stollenpanzerung 426
11.4.9.4 Wasserschlossüberwachung mittels Fuzzy Logik 426
11.5 Sonderausführungen 428
11.5.1 Anordnung bei Mitteldruckanlagen 428
11.5.2 Geheiztes Wasserschloss 428
11.5.3 Windkessel-Wasserschloss 428
11.6 Literatur 439
Inhaltsverzeichnis XVH
12 Verschluss- und Regelorgane bei Rohrleitungen 441
12.1 Anordnung und Grundformen von Krafthaus- und
Grundablassschiebern 441
12.1.1 Aufgaben und Anordnung 441
12.1.2 Grundtypen 443
12.1.3 Schieber in Turbinen- und Pumpenleitungen 444
12.1.4 Schieber in Grundablässen und Hochwasserentlastungsanlagen 445
12.1.5 Schnellschlussorgane 446
12.1.6 Be-und Entlüftungsventile 447
12.1.7 Bemessung von Entlüftungseinrichtungen für Druckstollen 448
12.1.8 Hilfseinrichtungen 449
12.2 Hydraulisches Verhalten 449
12.2.1 Strömungsvorgänge 449
12.2.2 Verlusthöhen 450
12.2.3 Durchfluss und Ausfluss 452
12.2.4 Ermittlung der Energiehöhen 455
12.2.5 Kavitation 456
12.2.6 Druckstoß 459
12.2.7 Schwingungen 459
12.3 Gestaltungsgrundsätze 460
12.4 Antrieb und Steuerung 461
12.5 Typen 463
12.5.1 Keilschieber und Flachschieber 463
12.5.1.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 463
12.5.1.2 Konstruktiver Aufbau 464
12.5.1.3 Hydraulisches Verhalten 465
12.5.1.4 Vor-und Nachteile 465
12.5.2 Drosselklappen 466
12.5.2.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 466
12.5.2.2 Konstruktiver Aufbau 467
12.5.2.3 Hydraulisches Verhalten 468
12.5.2.4 Vor-und Nachteile 471
12.5.3 Kugelschieber 471
12.5.3.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 471
12.5.3.2 Konstruktiver Aufbau 472
12.5.3.3 Hydraulisches Verhalten 474
12.5.3.4 Vor-und Nachteile 475
12.5.4 Ringschieber und Hohlstrahlschieber 475
12.5.4.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 475
12.5.4.2 Konstruktiver Aufbau 478
12.5.4.3 Hydraulisches Verhalten 479
12.5.4.4 Vor-und Nachteile 481
12.5.5 Kegelstrahlschieber 482
12.5.5.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 482
XVm Inhaltsverzeichnis
12.5.5.2 Konstruktiver Aufbau 483
12.5.5.3 Hydraulisches Verhalten 485
12.5.5.4 Vor-und Nachteile 487
12.6 Literatur 488
13 Krafthaus 489
13.1 Krafthaustypen 490
13.1.1 Grundlegende Unterscheidungsmerkmale der Krafthaustypen 491
13.1.2 Besondere Aspekte bei unterschiedlichen Wasserkraftanlagentypen 500
13.2 Regelungs- und Leittechnik für den Wasserkraftanlagenbetrieb 507
13.2.1 Grundprinzipien der Regelungs- und Leittechnik 507
13.2.2 Fuzzy Logik zur Abbildung von Steuerungs- und
Regelungsvorgängen 511
13.2.2.1 Grundlagen der Fuzzy Logik 512
13.2.2.2 Unscharfe Ansätze in der Fuzzy Logik 513
13.3 Betrieb und Unterhalt von Wasserkraftanlagen 520
13.3.1 Betriebs-, Anlagen- und Arbeitssicherheit bei Wasserkraftanlagen 520
13.3.1.1 Betriebssichere Organisation 520
13.3.1.2 Betriebssicherheit 522
13.3.1.3 Allgemeine Anlagen- und Arbeitssicherheitsanforderungen 523
13.3.1.4 Lärmemissionen 524
13.3.1.5 Schwingungen 525
13.3.1.6 Elektromagnetische Felder und elektrische Anlagen 526
13.3.1.7 Gewässerschutz und Gefahrgüter 526
13.3.2 Instandhaltung und Erneuerung von Wasserkraftanlagen 527
13.4 Literatur 529
14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen 531
14.1 Unterscheidungsmerkmale 531
14.1.1 Bauweise hinsichtlich Wellenausrichtung und Wasserzuführung 532
14.1.2 Einteilung nach der Regelungsart 533
14.1.3 Einteilung in Abhängigkeit des Durchflusses Q und der Fallhöhe hf 533
14.1.4 Einteilung in Abhängigkeit der spezifischen Drehzahl nq und der
Fallhöhe hf 533
14.1.5 Langsam-, Mittel-, Schnelläufigkeit 535
14.1.6 Einteilung nach dem Verwendungszweck und der Betriebsart 535
14.2 Bemessungsgrundlagen 535
14.2.1 Turbinendrehmoment 535
14.2.2 Fallhöhe, Energiehöhe, spezifische Stutzenarbeit 537
14.2.3 Spezifische Drehzahl, Drehzahl, Synchrondrehzahl 538
14.2.4 Dimensionslose Kennwerte 541
14.2.4.1 Druckzahl y/ 541
Inhaltsverzeichnis XLX
14.2.4.2 Durchflusszahl p 542
14.2.4.3 Leistungszahl ZT 542
14.2.4.4 Laufzahl oL 542
14.2.4.5 Durchmesserzahl S 542
14.2.5 Druckkennzahlen zur Kavitationsbeurteilung 542
14.2.5.1 Thoma-Beiwert On 543
14.2.5.2 Saugkennzahl Sq 544
14.2.5.3 Zusammenhang zwischen on und Sq 544
14.2.5.4 NPSH-Wert 544
14.2.6 Turbmerikennlinien 544
14.2.6.1 Turbinenwirkungsgrad 544
14.2.6.2 Leistungs-, Wirkungsgrad- und Drehmomentenkennlinie 548
14.2.6.3 Muschelkurven und Muscheldiagramme 549
14.2.7 Numerische Strömungsberechnung 553
143 Turbinenbauteile 555
14.3.1 Bauteile von Überdruckturbinen 555
14.3.1.1 Turbinenzulauf, Einlaufschacht und Spiralgehäuse 555
14.3.1.2 Saugrohr und Saugschlauch 561
14.3.2 Bauteile von Gleichdruckturbinen 565
14.3.3 Turbinenwelle, Getriebe und Turbinenlager 565
14.3.4 Getriebe und Riemenantrieb 567
14.4 Turbinenregelung 569
14.4.1 Turbinenregelungsarten 570
14.4.1.1 Leitradregelung 570
14.4.1.2 Laufradregelung 571
14.4.1.3 Düsen- und Strahlablenkerregelung 572
14.4.1.4 Regelung bei Durchströmturbinen 572
14.4.1.5 Bypassregelung bei Hochdruckanlagen 572
14.4.2 Steuerung der Turbinenregelung 573
14.5 Pumpen und Pumpenturbinen 576
14.5.1 Kreiselpumpen 577
14.5.1.1 Grundlagen 577
14.5.1.2 Bemessung 577
14.5.1.3 Anordnung, Bauweisen und Betrieb 580
14.5.1.4 Wellenkupplungen 584
14.5.2 Pumpenturbinen 586
14.5.2.1 Allgemeine Bauweisen und Betrieb 586
14.5.2.2 Sonderformen 587
14.6 Literatur 589
15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung 591
15.1 Propeller- und Kaplan-Turbinen 591
15.1.1 Konstruktion und Betriebsweise 591
15.1.1.1 Rohrturbinen 595
XX Inhaltsverzeichnis
15.1.1.2 Straflo-Turbinen 599
15.1.1.3 Diagonalturbinen 600
15.1.2 Bemessung 601
15.1.2.1 Grundlagen 601
15.1.2.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 607
15.2 Francis-Turbinen 607
15.2.1 Konstruktion und Betriebsweise 607
15.2.2 Bemessung 611
15.2.2.1 Grundlagen 611
15.2.2.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 614
15.3 Pelton-Turbinen 614
15.3.1 Konstruktion und Betriebsweise 614
15.3.2 Unterschied zwischen Francis- und Pelton-Turbine 619
15.3.3 Bemessung 620
15.3.3.1 Grundlagen 620
15.3.3.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 625
15.4 Durchströmturbinen 625
15.4.1 Konstruktion und Betriebsweise 625
15.4.2 Bemessung 627
15.4.2.1 Grundlagen 627
15.4.2.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 628
15.5 Hydraulische Strömungsmaschinen für kleine Durchflüsse und
niedrige Fallhöhen 629
15.5.1 Vorbemerkung 629
15.5.2 Wasserräder 629
15.5.2.1 Unterschlächtige Wasserräder 630
15.5.2.2 Mittelschlächtige Wasserräder 631
15.5.2.3 Oberschlächtige Wasserräder 632
15.5.2.4 Allgemeine Entwurfsgrundsätze und Weiterentwicklungen 632
15.5.3 Wasserkraftschnecken 634
15.5.4 Weiterentwicklungen von hydraulischen Strömungsmaschinen 636
15.5.4.1 Wasserwirbelkraftwerk 636
15.5.4.2 Steffturbine 637
15.5.4.3 Very-Low-Head-Turbine 638
15.5.4.4 Wasserkraftwerke in Unterwasseranordnung 639
15.5.5 Kinetische Strömungsmaschinen 640
15.5.5.1 Grundlagen 640
15.5.5.2 Entwicklungen kinetischer Strömungsmaschinen 642
15.6 Literatur 643
Inhaltsverzeichnis XXI
16 Elektrotechnische Ausrüstung 647
16.1 Grundlagen der elektrischen Energietechnik 647
16.1.1 Gleichstromtechnik 647
16.1.2 Wechselstromtechnik 651
16.1.3 Wechselwirkungen und Zusammenhänge zwischen elektrischen
Strömen und Spannungen und magnetischen Feldern 655
16.1.4 Kraftwirkung durch das Zusammenwirken magnetischer Felder 659
16.2 Grundprinzip der elektromagnetischen Energieumwandlung 660
16.3 Elektrische Maschinen und Transformatoren in
Wasserkraftanlagen 661
16.3.1 Transformatoren 663
16.3.2 Bewegte elektrische Maschinen 664
16.3.3 Synchrone Wasserkraftgeneratoren 668
16.3.3.1 Polzahl und Frequenz 668
16.3.3.2 Ausbildung von Ständer und Läufer 671
16.3.4 Asynchrongeneratoren 672
16.3.5 Generatorschutz und -Überwachung 674
16.3.6 Entwicklungstendenzen bei Wasserkraftgeneratoren 676
16.3.6.1 Generatoren mit veränderbaren Drehzahlen 676
16.3.6.2 Permanentmagneterregung von Synchronmaschinen 678
16.3.6.3 Hochspannungsgeneratoren 678
16.4 Betriebsarten von Wasserkraftgeneratoren 679
16.4.1 Leerlauf 679
16.4.2 Generatorbetrieb 680
16.4.3 Motorbetrieb 681
16.4.4 Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten 682
16.4.5 Synchronisation 682
16.4.6 Inselbetrieb 683
16.4.7 Blindleistungs-bzw. Phasenschieberbetrieb 683
16.4.8 Reluktanzbetrieb 684
16.4.9 Belastungsgrenzen der Synchronmaschine 684
16.5 Bemessung von Wasserkraftgeneratoren 685
16.5.1 Kühlung 686
16.5.2 Einbau und Anordnung 687
16.5.3 Läuferarten 689
16.5.4 Erregereinrichtungen 689
16.5.5 Dimensionierung 690
16.5.6 Durchgangsdrehzahl 692
16.5.7 Kurzschlussfestigkeit 692
16.6 Aufbereitung und Ableitung der Drehstromenergie eines
Kraftwerkes 694
16.6.1 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad 695
16.6.2 Transformatoren 696
XXn Inhaltsverzeichnis
16.6.3 Eigenversorgung 697
16.6.4 Schaltanlagen und Energieableitung 697
16.7 Grundlagen elektrischer Verbundsysteme 699
16.7.1 Einbindung der Kraftwerke in das elektrische Verbundsystem 699
16.7.2 Aufgaben der Netzleitwarte und Kraftwerkseinsatzplanung 702
16.7.3 Grundlastdeckung und Regelungsaufgaben im Netzbetrieb 704
16.7.4 Hochspannungs-Gleichstrom-Kopplung unterschiedlicher Netze 705
16.7.5 Entwicklung des Strommarktes 706
16.8 Literatur 707
17 Pumpspeicherkraftwerke 709
17.1 Grundlagen der Pumpspeicherung 709
17.2 Ergänzende Energiespeichersysteme 711
17.3 Pumpspeichersysteme 713
17.4 Historische Entwicklung der Pumpspeicherung 715
17.5 Bautechnische Gesichtspunkte 716
17.6 Maschinentechnische Gesichtspunkte 720
17.7 Betriebsweisen von Pumpspeicherwerken 722
17.8 Pumpspeicherkraft in Deutschland 728
17.9 Sonderformen der Pumpspeichertechniken 733
17.9.1 Extreme Förderhöhen und Leistungen 733
17.9.2 Untertage-Pumpspeicherkraftwerke 734
17.8.3 Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerke 735
17.9.4 Luftspeicherkraftwerke 737
17.9.5 Pumpspeicherwerk mit drehzahlvariablen Maschinensätzen 739
17.10 Literatur 742
18 Wasserkraft und Umwelt 745
18.1 Einflüsse auf die Atmosphäre 747
18.2 Beeinflussung der ober- und unterirdischen Gewässer 749
18.2.1 Veränderung der Gewässercharakteristik 750
18.2.1.1 Fließgewässertypische Strömungsmuster 750
18.2.1.2 Geschiebe- und Schwebstoffhaushalt 751
18.2.1.3 Abfluss- und Hochwasserregime 754
18.2.1.4 Wasserspiegelschwankungen infolge Schwell- oder Schwallbetrieb 757
18.2.1.5 Wasserspiegeländerungen in Stauräumen und deren Unterlauf 759
18.2.1.6 Flussregulierung 760
18.2.1.7 Eisbildung und Eistransport 760
18.2.2 Wechselwirkungen mit dem Grundwasser 760
Inhaltsverzeichnis XXHI
18.3 Einflüsse auf das biologische System 761
18.3.1 Bedeutung von Strömung und Substrat 761
18.3.1.1 Auswirkungen auf die Fischfauna 762
18.3.1.2 Auswirkungen auf das Zoobenthon 763
18.3.1.3 Auswirkungen auf die Pflanzenwelt 764
18.3.2 Temperaturregime 766
18.3.3 Sauerstoffhaushalt 767
18.3.4 Selbstreinigungsprozesse 770
18.3.5 Treibgut 771
18.3.6 Ufer- und Stauraumgestaltung 772
18.4 Einflüsse auf die oberen Bodenschichten 773
18.5 Einflüsse auf den Baugrund 774
18.6 Auswirkungen auf den Menschen 774
18.6.1 Landschaft und Lebensumfeld 774
18.6.2 Sicherheitsaspekte 776
18.7 Spezielle Aspekte bei Mehrzweckanlagen in warm-trockenen
Regionen 777
18.7.1 Wasserkraft und Bewässerung 777
18.7.2 Umweltrelevante Gestaltungsmaßnahmen von Stauanlagen in
Entwicklungsländern der wärmeren Klimazonen 778
18.7.2.1 Gestaltungsprioritäten 778
18.7.2.2 Gestaltungs-und Präventionsmaßnahmen 779
18.7.3 Energetische Bewertung der Flächen-Inanspruchnahme von
Wasserspeichern 780
18.7.3.1 Speicher-Parameter 781
18.7.3.2 Energetisches Potenzial von Bewässerungswasser 781
18.7.3.3 Potenzial von Biomasse im Stauraum 782
18.7.3.4 Spezifisches Gesamt-Energiepotenzial eines Wasserspeichers 782
18.7.3.5 Durch Speicherkraftwerke vermiedene CC^-Produktion 783
18.7.3.6 Ergebnisse der vergleichenden Speicherpotenzial-Abschätzung 783
18.7.4 Das Flusskraftwerk Tiszalök - eine optimierte Mehrzweckanlage 785
18.8 Besondere Umweltaspekte von der Errichtung bis zum Rückbau
einer Anlage 788
18.9 Literatur 788
19 Mindestwasserregelungen 793
19.1 Gebräuchliche Methoden zur Mindestwasserfestlegung 793
19.1.1 Kenngrößen 794
19.1.2 Einfache Verfahren 795
19.1.3 Habitatsimulationsmodelle 796
19.1.3.1 Hintergrund 796
19.1.3.2 Fließgewässerhabitate und ihre Beschreibung 797
19.1.3.3 Schnittstelle Abiotik zu Biotik 798
XXIV Inhaltsverzeichnis
19.1.4 Entscheidungsmodelle 799
19.2 Mindestwasserregelungen in Deutschland 799
19.3 Vorgehensweise zur Bestimmung von Mindestwasserregelungen 799
19.4 Das Simulationsmodell CASIMIR 800
19.4.1 Konzeption im Hinblick auf Mindestwasserregelungen 801
19.4.2 Gewässersohle und benthische Organismen 802
19.4.2.1 FST-Halbkugelmethode zur Bestimmung sohlennaher
Strömungsverhältnisse 803
19.4.2.2 Habitatansprüche der beninischen Organismen 803
19.4.2.3 Modellierungsansatz für Benthoshabitate über die FST-
Halbkugelmethode 804
19.4.2.4 Modellierungsansatz für Benthoshabitate über eine hydraulische 2-
D-Modellierung 806
19.4.3 Freiwasserraum und Fischhabitate 807
19.4.3.1 Fische als Zeigerorganismen 808
19.4.3.2 Präferenzfunktionen 809
19.4.3.3 Fuzzy-logischer Ansatz für die Habitatmodellierung 811
19.4.3.4 Darstellung der Habitateignung 813
19.4.3.5 Kriterien für die Bewertung der Modellierungsergebnisse mit
CASIMIR bei Mindestwasseruntersuchungen 815
19.5 Auswirkungen der Mindestwasserabgaben auf die
Energieerzeugung in Wasserkraftanlagen 819
19.6 Literatur 820
20 Durchgängigkeit für die Aquafauna an
Wasserkraftstandorten 823
20.1 Fischaufstiegsanlagen 825
20.1.1 Grundlagen 825
20.1.1.1 Wanderkorridor 826
20.1.1.2 Anordnung von Fischaufstiegsanlagen 827
20.1.1.3 Ausbildung des Einstiegs in Fischaufstiegsanlagen 828
20.1.1.4 Leitströmung im Einstiegsbereich 830
20.1.1.5 Abfluss und Strömungscharakteristika in Fischaufstiegsanlagen 831
20.1.1.6 Dimensionierung von Fischaufstiegsanlagen 832
20.1.1.8 Gestaltung der Sohle in Fischaufstiegsanlagen 833
20.1.1.9 Ausstieg aus Fischaufstiegsanlagen 833
20.1.1.9 Betriebszeiten 834
20.1.1.10 Wartung der Fischaufstiegsanlagen 834
20.1.1.11 Störungsvermeidung und Lenkung der Öffentlichkeit 835
20.1.2 Bauweisen von Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbaren
Querbauwerken 835
20.1.2.1 Beckenpässe 837
20.1.2.2 Schlitz- oder Vertical-Slot-Pass 839
20.1.2.3 Raugerinne-Beckenpass 839
Inhaltsverzeichnis XXV
20.1.2.4 Raugerinne in Störsteinbauweise 840
20.1.2.5 Denil-oder Gegenstrompass 840
20.1.2.6 Aalpass 841
20.1.2.7 Fischschleuse 842
20.1.2.8 Fischaufzug 842
20.1.2.9 Umgehungsgerinne 843
20.1.2.10 Gewässerbreite und teilbreite Raugerinne 843
20.2 Fischschutz- und Fischabstiegseinrichtungen 845
20.4 Literatur 847
21 Ausführungsbeispiele 849
21.1 Hochrheinkraftwerk Säckingen 849
21.2 Wasserkraftnutzung durch die Schluchseewerk AG 851
21.2.1 Anlagensystem der Schluchseewerk AG 851
21.2.1.1 Werksgruppe Schluchsee 851
21.2.1.2 Werksgruppe Hotzenwald 853
21.2.1.3 Merkmale des Pumpspeicherbetriebes 853
21.2.2 Werksgruppe Schluchsee 855
21.2.3 Werksgruppe Hotzenwald 859
21.2.3.1 Pumpspeicherwerk Säckingen 859
21.2.3.2 Pumpspeicherwerk Hornbergstufe mit Kavemenkraftwerk Wehr 862
21.2.3.3 Zubau einer Kleinwasserkraftanlage 873
21.2.4 Geplante Ausbaustufen der Schluchseewerke 874
21.3 Großprojekt Drei-Schluchten-Kraftwerk am Jangtse in China 876
21.3.1 Der Jangtse und historische Hochwasserkatastrophen 876
21.3.2 Projektauslegung 877
21.3.3 Problemfelder 880
21.4 Kleinwasserkraftanlage GroBarl 881
21.5 Kleinwasserkraftanlage Vöhrenbach mit der Gewölbereihenmauer
Linach 888
21.5.1 Übersicht 888
21.5.2 Konzeption 889
21.5.3 Streiflichter der Sanierung eines nationalen Baudenkmales 891
21.6 Literatur 893
22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren 895
22.1 Kenngrößen und Symbole 895
22.2 Abkürzungen 909
22.3 Griechisches Alphabet 909
22.4 Einheitenabkürzungen 909
22.5 Einheiten und Umrechnungsfaktoren 910
XXVI Inhaltsverzeichnis
Autoren 913
Sachverzeichnis 915 |
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| author | Giesecke, Jürgen 1932-2024 Heimerl, Stephan Mosonyi, Emil 1910-2009 |
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