Was ist Wasserkraft?

Verstehen Sie, wie das Wasserkraftwerk Wasserenergie in Elektrizität umwandelt, seine Vor- und Nachteile

Wasserkraft

Bild: Itaipu Dam, Paraguay / Brasilien von der International Hydropower Association (IHA) ist unter CC BY 2.0 lizenziert

Was ist hydraulische (Wasserkraft) Energie?

Wasserkraft ist die Nutzung der kinetischen Energie, die im Fluss von Gewässern enthalten ist. Die kinetische Energie fördert die Rotation der Schaufeln der Turbinen, aus denen das Wasserkraftwerk besteht, und wird später vom Systemgenerator in elektrische Energie umgewandelt.

Was ist ein Wasserkraftwerk (oder ein Wasserkraftwerk)?

Ein Wasserkraftwerk besteht aus einer Reihe von Arbeiten und Geräten, mit denen aus der Nutzung des hydraulischen Potenzials eines Flusses elektrische Energie erzeugt wird. Das hydraulische Potential ergibt sich aus dem Hydraulikfluss und der Konzentration der vorhandenen Unebenheiten entlang des Flusslaufs. Die Unebenheiten können natürlich sein (Wasserfälle) oder in Form von Dämmen gebaut werden oder indem der Fluss von seinem natürlichen Bett umgeleitet wird, um Stauseen zu bilden. Es gibt zwei Arten von Stauseen: Stauseen und Flusslaufstauseen. Die Ansammlungsablagerungen bilden sich normalerweise am Oberlauf der Flüsse an Orten, an denen hohe Wasserfälle auftreten und die aus großen Stauseen mit großen Ansammlungen von Wasser bestehen. Run-of-River-Stauseen nutzen die Wassergeschwindigkeit des Flusses, um Strom zu erzeugen, wodurch eine minimale oder keine Wasseransammlung entsteht.

Die Anlagen wiederum werden nach folgenden Faktoren klassifiziert: Höhe des Wasserfalls, Durchfluss, installierte Leistung oder Leistung, Art der im System verwendeten Turbine, Damm und Reservoir. Die Baustelle gibt die Höhe des Sturzes und die Strömung an, und diese beiden Faktoren bestimmen die installierte Leistung oder Leistung eines Wasserkraftwerks. Die installierte Leistung bestimmt den Turbinentyp, den Damm und den Vorratsbehälter.

Laut einem Bericht der National Electric Energy Agency (Aneel) definiert das Nationale Referenzzentrum für kleine Wasserkraftwerke (Cerpch von der Bundesuniversität Itajubá - Unifei) die Höhe des Wasserfalls als niedrig (bis zu 15 Meter), mittel ( 15 bis 150 Meter) und hoch (größer als 150 Meter). Diese Maßnahmen sind jedoch nicht einvernehmlich. Die Größe der Anlage bestimmt auch die Größe des Verteilungsnetzes, das den erzeugten Strom an die Verbraucher weiterleitet. Je größer die Pflanze ist, desto größer ist die Tendenz, weit entfernt von städtischen Zentren zu sein. Dies erfordert den Bau großer Übertragungsleitungen, die häufig Zustände kreuzen und Energieverluste verursachen.

Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Für die Erzeugung von Wasserkraft ist es erforderlich, den Flussfluss, den Unterschied im Gelände (natürlich oder nicht) und die verfügbare Wassermenge zu integrieren.

Das System eines Wasserkraftwerks besteht aus:

Damm

Der Zweck des Damms besteht darin, den natürlichen Kreislauf des Flusses zu unterbrechen und ein Wasserreservoir zu schaffen. Der Stausee hat neben der Speicherung von Wasser noch andere Funktionen, z. B. die Schaffung eines Wasserspalts, die Aufnahme von Wasser in einem für die Energieerzeugung angemessenen Volumen und die Regulierung des Flussflusses während Regen- und Dürreperioden.

Wasseransaugsystem (Adduktionssystem)

Bestehend aus Tunneln, Kanälen und Metallrohren, die das Wasser zum Kraftwerk führen.

Kraftpaket

In diesem Teil des Systems sind die Turbinen mit einem Generator verbunden. Die Bewegung der Turbinen wandelt die kinetische Energie der Wasserbewegung durch die Generatoren in elektrische Energie um.

Es gibt verschiedene Arten von Turbinen, wobei Pelton, Kaplan, Francis und Glühbirne die wichtigsten sind. Die für jedes Wasserkraftwerk am besten geeignete Turbine hängt von der Fallhöhe und dem Durchfluss ab. Ein Beispiel: Die Glühbirne wird in normalen Anlagen verwendet, da keine Reservoire erforderlich sind und für niedrige Stürze und hohe Durchflussraten angezeigt wird.

Fluchtkanal

Nach dem Passieren der Turbinen wird das Wasser durch den Fluchtkanal in das natürliche Flussbett zurückgeführt.

Der Fluchtkanal befindet sich zwischen dem Kraftwerk und dem Fluss und seine Größe hängt von der Größe des Kraftwerks und des Flusses ab.

Überlauf

Durch den Überlauf kann Wasser entweichen, wenn der Füllstand des Vorratsbehälters die empfohlenen Grenzwerte überschreitet. Dies tritt normalerweise in Regenperioden auf.

Der Überlauf wird geöffnet, wenn die Stromerzeugung beeinträchtigt wird, weil der Wasserstand über dem idealen Wert liegt. oder um ein Überlaufen und folglich ein Überfluten der Pflanze zu vermeiden, was in sehr regnerischen Perioden möglich ist.

Auswirkungen auf die Umwelt durch die Implantation von Wasserkraftwerken

Das erste Wasserkraftwerk wurde Ende des 19. Jahrhunderts an einem Abschnitt der Niagarafälle zwischen den USA und Kanada gebaut, als Kohle der Hauptbrennstoff war und Öl noch nicht weit verbreitet war. Zuvor wurde hydraulische Energie nur als mechanische Energie verwendet.

Obwohl Wasserkraft eine erneuerbare Energiequelle ist, weist Aneels Bericht darauf hin, dass seine Beteiligung an der weltweiten elektrischen Matrix gering ist und immer geringer wird. Das wachsende mangelnde Interesse wäre auf die negativen externen Effekte zurückzuführen, die sich aus der Umsetzung von Projekten dieser Größe ergeben.

Ein negativer Einfluss der Umsetzung großer Wasserkraftprojekte ist die Veränderung der Lebensweise der Bevölkerungsgruppen in der Region oder in der Umgebung des Ortes, an dem die Anlage implantiert wird. Es ist auch wichtig zu betonen, dass es sich bei diesen Gemeinschaften häufig um menschliche Gruppen handelt, die als traditionelle Bevölkerungsgruppen identifiziert wurden (indigene Völker, Quilombolen, Amazonas-Flussgemeinden und andere), deren Überleben von der Verwendung der Ressourcen des Ortes abhängt, an dem sie leben, und die Verbindungen zum Territorium haben kulturelle Ordnung.

Ist Wasserkraft sauber?

Obwohl die Wasserkraft von vielen als „saubere“ Energiequelle angesehen wird, da sie nicht mit der Verbrennung fossiler Brennstoffe verbunden ist, trägt sie zur Emission von Kohlendioxid und Methan bei, zwei Gasen, die möglicherweise die globale Erwärmung verursachen.

Die Emission von Kohlendioxid (CO2) ist auf die Zersetzung von Bäumen zurückzuführen, die über dem Wasserspiegel der Stauseen verbleiben, und die Freisetzung von Methan (CH4) erfolgt durch die Zersetzung der am Boden des Stausees vorhandenen organischen Substanz. Mit zunehmender Wassersäule steigt auch die Methankonzentration (CH4). Wenn das Wasser die Turbinen der Anlage erreicht, führt der Druckunterschied zur Freisetzung von Methan in die Atmosphäre. Methan wird auch durch den Überlauf der Pflanze in den Wasserweg freigesetzt, wenn das Wasser zusätzlich zu der Änderung von Druck und Temperatur in Tropfen gesprüht wird.

CO2 wird durch die Zersetzung abgestorbener Bäume über Wasser freigesetzt. Im Gegensatz zu Methan wird nur ein Teil des emittierten CO2 als wirkungsvoll angesehen, da ein großer Teil des CO2 durch Absorptionen im Reservoir abgebaut wird. Da Methan nicht in Photosyntheseprozesse eingebaut wird (obwohl es langsam in Kohlendioxid umgewandelt werden kann), wird es in diesem Fall als wirkungsvoller für den Treibhauseffekt angesehen.

Das Balcar-Projekt (Treibhausgasemissionen in Stauseen von Wasserkraftwerken) wurde ins Leben gerufen, um den Beitrag künstlicher Stauseen zur Intensivierung des Treibhauseffekts durch die Emission von Kohlendioxid und Methan zu untersuchen. Die ersten Studien des Projekts wurden in den 90er Jahren in Stauseen im Amazonasgebiet durchgeführt: Balbina, Tucuruí und Samuel. Die Amazonasregion konzentrierte sich auf die Studie, da sie durch eine massive Vegetationsbedeckung und damit ein größeres Potenzial für Gasemissionen durch Zersetzung organischer Stoffe gekennzeichnet ist. In den späten 1990er Jahren umfasste das Projekt auch Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo und Barra Bonita.

Laut dem Artikel, den Dr. Philip M. Fearnside vom Amazon Research Institute 1990 über die Emissionen von Gasen im Werk Tucuruí veröffentlichte, variierten die Emissionen von Treibhausgasen (CO2 und CH4) aus dem Werk zwischen 7 Millionen und 10 Millionen Tonnen in diesem Jahr. Der Autor vergleicht die Stadt São Paulo, die im selben Jahr 53 Millionen Tonnen CO2 aus fossilen Brennstoffen emittierte. Mit anderen Worten, nur Tucuruí wäre dafür verantwortlich, 13% bis 18% der Treibhausgasemissionen in der Stadt São Paulo zu emittieren, ein bedeutender Wert für eine Energiequelle, die lange Zeit als „emissionsfrei“ galt. Es wurde angenommen, dass organische Stoffe im Laufe der Zeit vollständig zersetzt werden und infolgedessen diese Gase nicht mehr emittieren würden. Jedoch,Studien der Balcar-Gruppe haben gezeigt, dass der Gasproduktionsprozess durch die Ankunft neuer organischer Materialien durch Flüsse und Regen gespeist wird.

Verlust von Pflanzen- und Tierarten

Insbesondere im Amazonasgebiet mit hoher Artenvielfalt sterben unvermeidlich Organismen aus der Flora des Ortes, an dem sich das Reservoir bildet. Selbst wenn eine gründliche Planung durchgeführt wird, um die Organismen zu entfernen, kann nicht garantiert werden, dass alle Organismen, aus denen das Ökosystem besteht, gerettet werden. Darüber hinaus führt der Damm zu Veränderungen in den umliegenden Lebensräumen.

Bodenverlust

Der Boden im überfluteten Gebiet wird für andere Zwecke unbrauchbar. Dies wird zu einem zentralen Thema, insbesondere in überwiegend flachen Regionen wie der Amazonasregion. Da die Kraft der Anlage durch die Beziehung zwischen dem Flussfluss und der Unebenheit des Geländes gegeben ist, muss bei geringer Unebenheit des Geländes eine größere Menge Wasser gespeichert werden, was eine ausgedehnte Reservoirfläche impliziert.

Änderungen in der hydraulischen Geometrie des Flusses

Flüsse neigen dazu, ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Abfluss, durchschnittlicher Wassergeschwindigkeit, Sedimentfracht und Bettmorphologie zu haben. Der Bau von Stauseen beeinflusst dieses Gleichgewicht und führt folglich zu Änderungen der hydrologischen und sedimentären Ordnung nicht nur am Dammstandort, sondern auch in der Umgebung und im Bett unterhalb des Damms.

Nennkapazität x tatsächlich produzierte Menge

Ein weiteres Problem ist, dass zwischen der nominalen installierten Leistung und der tatsächlichen Menge der von der Anlage erzeugten elektrischen Energie ein Unterschied besteht. Die erzeugte Energiemenge hängt vom Fluss ab.

Daher ist es sinnlos, ein System zu installieren, das möglicherweise mehr Energie erzeugt, als der Flussfluss liefern kann, wie dies im Fall des am Fluss Uatumã installierten Wasserkraftwerks Balbina der Fall war.

Feste Kraft der Anlage

Ein weiterer wichtiger Punkt, der berücksichtigt werden muss, ist das Konzept der festen Leistung der Anlage. Laut Aneel ist die feste Leistung der Anlage die maximale kontinuierliche Energieerzeugung, die erzielt werden kann, wenn man die trockenste Sequenz berücksichtigt, die in der Strömungsgeschichte des Flusses aufgezeichnet wurde, in dem sie als Basis installiert ist. Dieses Problem wird angesichts immer häufigerer und schwerer Dürreperioden immer zentraler.

Wasserkraft in Brasilien

Brasilien ist das Land mit dem größten Wasserkraftpotential der Welt. Damit sind 70% davon in den Becken Amazonas und Tocantins / Araguaia konzentriert. Das erste große brasilianische Wasserkraftwerk, das gebaut wurde, war Paulo Afonso I. im Jahr 1949 in Bahia mit einer Leistung von 180 MW. Derzeit ist Paulo Afonso I Teil des Wasserkraftwerks Paulo Afonso, der insgesamt vier Anlagen umfasst.

Balbina

Das Wasserkraftwerk Balbina wurde am Fluss Uatumã in Amazonas gebaut. Balbina wurde gebaut, um den Energiebedarf von Manaus zu decken. Die Prognose sah die Installation einer Leistung von 250 MW durch fünf Generatoren mit einer Leistung von jeweils 50 MW vor. Der Fluss des Uatumã-Flusses liefert jedoch eine viel geringere durchschnittliche jährliche Energieerzeugung, etwa 112,2 MW, von denen nur 64 MW als feste Leistung angesehen werden können. In Anbetracht der Tatsache, dass bei der Übertragung von Strom von der Anlage zum Verbraucherzentrum ein ungefährer Verlust von 2,5% auftritt, sind es nur 109,4 MW (62,4 MW bei fester Leistung). Wert deutlich unter der Nennleistung von 250 MW.

Itaipu

Das Wasserkraftwerk Itaipu gilt mit einer installierten Leistung von 14.000 MW als zweitgrößtes Kraftwerk der Welt und nach Três Gorges in China mit 18,2.000 MW als zweitgrößtes. Erbaut am Fluss Paraná und an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay gelegen, ist es eine binationale Anlage, da es zu beiden Ländern gehört. Die von Itaipu erzeugte Energie, die Brasilien versorgt, entspricht der Hälfte seiner Gesamtleistung (7 Tausend MW), was 16,8% des in Brasilien verbrauchten Energieverbrauchs entspricht, und die andere Hälfte des Stroms wird von Paraguay verbraucht und entspricht 75% Paraguayischer Energieverbrauch.

Tucuruí

Das Werk in Tucuruí wurde am Fluss Tocantins in Pará gebaut und verfügt über eine installierte Leistung von 8.370 MW.

Belo Monte

Das von Präsident Dilma Roussef eingeweihte Wasserkraftwerk Belo Monte in der Gemeinde Altamira südwestlich von Pará wurde am Fluss Xingu errichtet. Das Kraftwerk ist das größte zu 100% nationale Wasserkraftwerk und das drittgrößte der Welt. Mit einer installierten Leistung von 11.233,1 Megawatt (MW). Dies bedeutet genug Last, um 60 Millionen Menschen in 17 Bundesstaaten zu versorgen, was etwa 40% des Verbrauchs in Wohngebieten im ganzen Land entspricht. Die entsprechende installierte Produktionskapazität beträgt 11.000 MW, dh die größte Anlage für installierten Strom das Land, das die Tucuruí-Pflanze als größte 100% ige nationale Pflanze ersetzt. Belo Monte ist nach Três Gargantas und Itaipu auch das drittgrößte Wasserkraftwerk der Welt.

Viele Themen drehen sich um den Bau des Werks in Belo Monte. Trotz der installierten Leistung von 11.000 MW entspricht die feste Leistung der Anlage nach Angaben des Umweltministeriums 4,5.000 MW, dh nur 40% der Gesamtleistung. Da Belo Monte in einer Amazonasregion gebaut wurde, kann es große Konzentrationen an Methan und Kohlendioxid ausstoßen. All dies, ohne die großen Auswirkungen auf das Leben traditioneller Bevölkerungsgruppen und die großen Auswirkungen auf Fauna und Flora zu berücksichtigen. Ein weiterer Faktor ist, dass der Bau hauptsächlich Unternehmen zugute kommt, nicht der Bevölkerung. Ungefähr 80% des Stroms ist für Unternehmen im mittleren Süden des Landes bestimmt.

Anwendbarkeit

Trotz der genannten negativen Auswirkungen auf die soziale Umwelt hat Wasserkraft Vorteile gegenüber nicht erneuerbaren Energiequellen wie fossilen Brennstoffen. Wasserkraftwerke tragen zwar zur Emission von Methan und Schwefeldioxid bei, setzen jedoch keine anderen giftigen Gase frei oder setzen sie frei, beispielsweise solche, die von thermoelektrischen Anlagen ausgeatmet werden - sehr schädlich für die Umwelt und die menschliche Gesundheit.

Die Nachteile von Staudämmen im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft, die im Vergleich zu den Auswirkungen von Staudämmen geringere Umweltauswirkungen haben, sind jedoch offensichtlicher. Das Problem ist immer noch die Realisierbarkeit neuer Technologien. Eine Alternative zur Verringerung der Auswirkungen der Erzeugung von Wasserkraft ist der Bau kleiner Wasserkraftwerke, für die keine großen Stauseen gebaut werden müssen.

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Darüber hinaus haben Dämme eine Nutzungsdauer von rund 30 Jahren, was ihre langfristige Lebensfähigkeit in Frage stellt.

Die von der Michigan State University durchgeführte Studie "Nachhaltige Wasserkraft im 21. Jahrhundert" macht darauf aufmerksam, dass große Wasserkraftwerke angesichts des Klimawandels zu einer noch weniger nachhaltigen Energiequelle werden könnten.

Es ist notwendig, die tatsächlichen Kosten der Wasserkraft zu berücksichtigen, nicht nur die wirtschaftlichen und Infrastrukturkosten, sondern auch die sozialen, ökologischen und kulturellen Kosten.


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