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Warum ist die durchschnittliche Leistung von Wasserkraftwerken relativ gering?

Von Eberhard Wagner
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Eberhard.Wagner@energie-fakten.de, )Wagner

Vorbemerkung

Bei einer Gegenüberstellung der jeweiligen Jahres-Stromerzeugung (z. B. Megawattstunden - MWh) und der Anlagen-Leistungswerte (MW) konkreter Laufwasser-Kraftwerke hat ein Anfrager Leistungs-Mittelwerte (durchschnittliche Leistung) von 32 bis 70 % ermittelt. Die Ursachen dieser gering erscheinenden Werte sind vielfältig.

Wasserkraftjahr

In der Wasserkraftwirtschaft erfasst man üblicherweise jährlich den „Koeffizient der Erzeugungsmöglichkeit aus Wasserkraft – KEW-Wert“. Dieser Prozent-Wert gibt an, wie groß die Erzeugung in dem betrachteten Jahr im Vergleich zur durchschnittlichen Erzeugung in vielen Jahren betragen hat. Bei großen Anlagen wird oft der Erzeugungs-Wert genutzt, der der Projektierung der Anlagen zu Grunde gelegt worden ist. Der Wert kann etwa zwischen 0,75 (sog. trockenes Jahr) bis 1,25 (sog. nasses Jahr) betragen. Das ergibt sich aus dem Wasseraufkommen in dem betrachteten Jahr. Außerdem sind regionale Einflüsse vorhanden. Anlagen an Alpenflüssen und Anlagen an Mittelgebirgsflüssen haben in der Regel ein unterschiedliches, auch zeitlich unterschiedliches Wasseraufkommen. Zu den KEW-Werten (Jahresreihen) wird auf das „Hintergrundmaterial der Energie-Fakten“ hingewiesen: Dossier/Fachbeitrag Stromgewinnung aus regenerativer Wasserkraft (pdf, rd. 1 MB) (Herausgabe 2007/2008).

Ausnutzungsdauer

Eine sehr brauchbare Kenngröße zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit ganz allgemein von Kraftwerken ist die Ausnutzungsdauer (Slang: Volllaststunden). Sie ist der Quotient aus einer Jahres-Erzeugung und dem Leistungswert. Die Dimension ist Stunden pro Jahr. Der Wert kann also im Normaljahr 8760 h/a nicht überschreiten. Wenn doch, dann stimmt meist der Leistungswert nicht. Bei großen Anlagen werden im Mittel etwa 6.000 h/a, bei kleinen Anlagen etwa 3.500 h/a erreicht. Diese Auffälligkeit ist mit der Konstruktion der Anlagen verknüpft. Große Anlagen sind auf die Naturgegebenheiten hin maßgeschneidert: Fallhöhe, optimal zu nutzender Durchfluss, Anzahl der Maschinensätze, Art der Turbinen etc.; eben die sog. Ausbaudaten. Der Kapitalaufwand für diese Anlagen erlaubt bzw. erzwingt diese „Genauigkeit“.

Große Anlagen

Die Langlebigkeit der Wasserkraftwerke rechtfertigt relativ hohe (spezifische) Investitionen (Euro pro Kilowatt Kraftwerksleistung). Diese Grundsätzlichkeit ist allerdings durch die Liberalisierung des Strommarktes (seit 1998) und die restriktive Wassergesetzgebung (Wasserhaushaltsgesetz infolge der EU-Wasser-Rahmenrichtlinie, 1992) zu relativieren. Neue Wasserkraftwerke haben hohe Stromerzeugungskosten. Nur in einer „kalkulatorischen“ Verknüpfung mit anderen (älteren) Anlagen sind diese wettbewerbsfähig.

Kleinere Anlagen

Bei diesen verzichtet man meist auf eine genaue, kostenträchtige Ermittlung der Maschinen-Daten. Es werden standardisierte Turbinen und Generatoren genutzt. Die Leistung dieser Maschinen wird deutlich „größer eingekauft“ als es die möglicherweise „optimalen“ Wasserkraft-Ausbaudaten verlangen würden. Die Folge ist, dass die Nutzung des Gewässers im Vergleich zu den maschinellen Möglichkeiten geringer ist. Die Ausnutzungsdauern sind dann, wie genannt, erheblich niedriger. Bei den Eingangs erwähnten Leistungswerten, könnten sehr unterschiedlich große Anlagen betrachtet worden sein.

Ausbaudaten von Wasserkraftanlagen

Das Bestimmen der wesentlichen Ausbaudaten einer Wasserkraftanlage ist eine aufwändige Optimierungs-Aufgabe. Grundlage sind permanente Pegelmessungen (Abflüsse) des Fließgewässers an jeweils vielen Standorten. Hierzu gibt es Jahresberichte der Wasserwirtschaftsämter. Aus den registrierten Abflüssen ergibt sich eine sog. Ganglinie (entsprechend vom 1. Januar bis zum 31. Dezember). Daraus wird eine sog. Dauerlinie gebildet. In dieser werden die Abflüsse nach ihrer Größe geordnet dargestellt, dies unabhängig vom Datum. Das Bild 1 vermittelt das Prinzip der Umwandlung einer Ganglinie in eine Dauerlinie. Anhand der Dauerlinie kann man nun bestimmen, mit welchem Abflusswert (Ausbauabfluss) die Anlage konzipiert werden soll.

BIld 1

Bild 1: Beispiel für die Ermittlung einer Dauerlinie aus einer Ganglinie (für 30 Tage), Quelle: siehe unten.

Das Bild 2 zeigt den „Werkleistungsplan“ einer Anlage, der diese Zusammenhänge darlegt.

Bild 2

Bild 2: Werkleistungsplan eines Laufwasser-Kraftwerks, Quelle: siehe unten.

Man kann grundsätzlich eine Anlage für einen großen Abfluss auslegen - linke Seite der Dauerlinie. D. h., der Leistungswert wird dann ebenfalls hoch. Aber, über ein gesamtes Jahr ergibt sich dann nur für wenige Wochen eine maximale Anlagenausnutzung.

Wählt man den Ausbauabfluss niedrig (rechte Seite der Dauerlinie) erhält man einen niedrigen Leistungswert, dieser wird jedoch in einer weitaus größeren Zeitspanne genutzt werden können. In wasserreichen Zeiten fließt allerdings Wasser ungenutzt am Kraftwerk vorbei.

Im ersten Falle erhält man grundsätzlich geringere Ausnutzungsdauern (relativ niedrige „reale“ Leistungen) als im zweiten Fall (relativ hohe „reale“ Leistungen). Diese Auslegungsproblematik kann Ursache der Eingangs festgestellten Leistungsunterschiede sein.

Ausbauzeit

Bei den Ausbaudaten spricht man u. a. auch von der sog. Ausbauzeit (Slang: Ausbautage). Zum Beispiel wurde für das Wasserkraftwerk Freudenau bei Wien (Inbetriebnahme 1998, Leistung etwa 172 MW, Jahreserzeugung im Mittel etwa 1050 GWh) eine Ausbauzeit von 37 Tagen gewählt. Nur an diesen Tagen kann die Anlage mit maximaler Leistung betrieben werden. Der Betreiber hat offensichtlich besonderen Wert auf einen hohen Leistungswert gelegt. Dies bei erwarteten hohen Abflüssen in Zeiten mit großem Leistungsbedarf der Verbraucher.

Hochwasser-Einfluss

Hochwässer verursachen in der Regel bedeutende Verminderungen der Erzeugung. Die Wasserspiegel steigen und bewirken Rückstaue. Diese führen dann zu einer Verminderung der nutzbaren Fallhöhen. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Fallhöhe und Erzeugung. Die entstehenden geringeren Fallhöhen können zu Betriebszuständen der Turbinen führen, die einen unruhigen Lauf verursachen (sog. kritische Drehgeschwindigkeiten). Diese müssen vermieden werden, um die Anlage nicht zu gefährden. In besonders kritischen Situationen müssen die Anlagen stillgesetzt werden.

Rechengut

Hochwasserereignisse verursachen meist ein sehr großes Aufkommen von „Rechengut“ (besser gesagt „Rechen-Ungut“), auch „Geschwemmsel bzw. Wohlstandsmüll“ genannt. Die Schutzgitter („Rechen“) vor den Anlagen verstopfen schnell. Es kommt zu häufigen sog. Rechenverlegungen. Die Rechen-Reinigungsmaschinen müssen permanent eingesetzt werden, mit negativem Einfluss auf die Anströmung der Turbinen. Insgesamt kommt es zu Verminderungen der Fallhöhen, wie überhaupt zu Verminderungen von eigentlich nutzbaren Abflüssen.

Konstruktion der Schutzgitter

Die Schutzgitter/Rechen vor den Anlagen bestehen aus nebeneinander angeordneten Stahlstäben. Der Stababstand richtet sich eigentlich nach der Durchlassmöglichkeit der Turbine für Fremdkörper. Große Maschinen haben große Stababstände und umgekehrt. Geringe Stababstände führen zu größeren Einlaufverlusten und schnelleren Rechenverlegungen, also Erzeugungsverlusten. In jüngerer Zeit ist die „Rechenkonstruktion“ zum Politikum geworden. Aus vermeintlichem Fischschutz werden zum Teil extrem enge Gitter vorgeschrieben. Dies führt natürlich zu hohen Einlauf- und Erzeugungsverlusten. Es ist deshalb möglich, dass bei einer Langzeitbetrachtung einer Anlage eine Verminderung der relativen Leistung einhergeht.

Bildquelle: Begriffsbestimmungen in der Energiewirtschaft, Teil 3 Wasserkraft, 6. Ausgabe, 1992. VWEW Energieverlag GmbH, Frankfurt am Main.
Die Veröffentlichung erfolgt mit freundlicher Genehmigung der VWEW Energieverlag GmbH.

Siehe auch:

Dieser Beitrag wurde am 8. Januar 2009 veröffentlicht.
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