Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb

851 Pages·2005·180.089 MB·German

by  Prof. em. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Jürgen Giesecke, Prof. em. Dr. tech. habil. Dr. sc. techn. Dr. h. c. mult. Emil Mosonyi (auth.)

Jurgen Giesecke • Emil Mosonyi
Wasserkraftanlagen
Jurgen Giesecke • Emil Mosonyi
Wasserkraftanlagen
Planung, Bau und Betrieb
4., aktualisierte und erweiterte Auflage
mit 368 Abbildungen
^ Springer
Prof. em. Dr.-Ing. habil. Unter Mitarbeit von:
Dr.-Ing. E. h. Jiirgen Giesecke
Universitat Stuttgart Prof. em. Dr.-Ing. Hans-Joachim Gutt
Institut fur Wasserbau Universitat Stuttgart
Lehrstuhl fiir Wasserbau u.Wasserwirtschaft Institut fiir Elektrische Maschinen,
Pfaffenwaldring 61 Antriebs- und Mechatroniksysteme
70550 Stuttgart Pfaffenwaldring 47
70550 Stuttgart
Prof. em. Dr. tech. habil. Dr. sc. techn.
Dr. h. c. mult. Emil Mosonyi Dr.-Ing. Stephan Heimerl
Universitat Karlsruhe EnBW Kraftwerke AG
Institut fur Wasserbau und Kulturtechnik Lautenschlagerstrafie 20
Kaiserstrafie 12 70173 Stuttgart
76128 Karlsruhe
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Umschlaggestaltung: medionet AG, BerHn
Satz: Druckvorlage Dr. S. Heimerl
Gedruckt auf saurefreiem Papier 68/3020 5 4 3 2 10
Vorwort zur vierten Auflage
Die seit 1997 erschienenen ersten drei Auflagen des vorliegenden Buches haben
eine sehr gute Resonanz gefunden. So lag es nahe, nochmals die 4. Auflage liber
die bisherigen Fassungen hinaus zu erweitem und zusatzlich eine Reihe von An-
regungen zu beriicksichtigen, die erfreulicherweise aus dem Leserkreis gekommen
sind. Hierbei flossen neue Ergebnisse mit ein. Wesentliche Erweiterungen bzw.
Aktualisierungen erfuhren die Kapitel liber Grundlagen, Typen von Wasserkraft-
anlagen, Wasserfassung, elektrotechnische Ausriistung, Pumpspeicherung, Was-
serkraft und Umwelt, schlieBlich Durchgangigkeit fiir die Aquafauna und Ausftih-
rungsbeispiele.
Wie bei den Ausgaben zuvor befaBte sich Herr Dr.-Ing. Stephan Heimerl in an-
erkennungswerter Weise mit der Aufarbeitung neuer Textteile und Abbildungen,
besorgte umsichtig das Layout und den druckfertigen Umbruch des gesamten Bu
ches, dessen Gesamtumfang um rund 20 Druckseiten zugenommen hat. Auch
hierzu war der hoch angesehene Springer-Verlag groBzligig bereit. Fiir die liberaus
gute Zusammenarbeit sei wiederum bestens gedankt.
Stuttgart/Karlsruhe im Fruhjahr 2005
Jlirgen Giesecke und Emil Mosonyi
Vorwort zur dritten Auflage
Im BewuBtsein der breiten Offentlichkeit nimmt der Schutz der natlirlichen Le-
bensgrundlagen - Boden, Wasser, Luft - eine herausragende Stellung ein. So ist es
u. a. das Ziel der Wasserwirtschaft, die Gewasser als Lebensraum zu sichem. In
gleichem Sinne hat sich die Deckung des Energiebedarfes unter weitgehender
Schonung der Umwelt zu einer zentralen Frage der Menschheit entwickelt, wobei
nach Moglichkeit heimische Energiequellen zu nutzen sind. Eine ideale Energie-
quelle sollte unerschopflich, umweltvertraglich, vielerorts verfugbar und kosten-
glinstig sein. In hohem MaBe entspricht diesen Kriterien die viele Vorteile bieten-
de Wasserkraft. Sie zahlt vorrangig zu den umweltfreundHchen, standig emeuer-
baren Energieressourcen.
Wasserkraft bedeutet unerschopfliche Sonnenenergie. Die Sonne halt den Was-
serkreislauf mit Verdunstung, Wolkenbildung, Niederschlag und AbfluB aufrecht.
Solange Wassermassen ein Gefalle zum Meeresniveau haben, enthalten sie poten-
tielle Energie. Das Wesen der Wasserkraftnutzung beruht in der Fahigkeit des fal-
lenden Wassers, Arbeit zu verrichten, und so wandehi Wasserkraftwerke die
Schwereenergie in eine Bewegungsenergie bis hin zur Gewinnung elektrischen
Stromes um.
Seit mehr als vier Jahrtausenden ist die Wasserkraftnutzung zur Arbeitserleich-
terung des Menschen bekannt. Wasserrader zur Umwandlung der kinetischen
Energie des stromenden Wassers in mechanische Energie lassen sich bis in das
3. Jahrtausend v. Chr. in China und im Vorderen Orient zurlickverfolgen. Eine eu-
ropaweite Verbreitung begann im friihen Mittelalter. Wasserrader dienen fiir
Getreidemuhlen, Schleifereien, Sage-, Stampf- und Hammerwerke. Im 19. Jahr-
VI Vorwort
hundert setzte die Entwicklung von Wasserturbinen bzw. Turbinen ein. Das dy-
namo-elektrische Prinzip wurde entdeckt. Als am 12. September 1891 anlafilich
einer intemationalen Elektrizitatsausstellung in Frankfurt/Main 1.000 Gluhbimen
zu leuchten und ein 10 m hoher kiinstlicher Wasserfall zu sprudeln begannen, war
der Durchbruch fiir die Femiibertragung elektrischen Stromes, hier vom 175 km
entfemten FluBkraftwerk Lauffen/Neckar, mit 25-kV-Drehstromtibertragung ge-
schafft.
Wesentliche Elemente der bautechnischen Auslegung sind je nach Wasserkrafl-
anlagentyp Wasserfassung, Stau- und Speicherbecken, Hochwasserentlastung und
BetriebsauslaB, Sandfang und Triebwasserleitung, Stollen- und Druckschacht,
Verteihohrleitung, WasserschloB und Krafthaus bzw. Kraftwerkskaveme. Bedeu-
tende Elemente des Maschinenbaues sind Regel- und VerschluBorgane sowie hy-
draulische Maschinen, also Turbinen und Speicherpumpen. SchlieBlich sind ge-
wichtige Elemente der elektrotechnischen Ausriistung Generatoren, Transformato-
ren, Schaltanlagen, Leit- und Steuerungstechnik.
Wasserkraftnutzung bedeutet wie jede andere technische Anlage und wie jede
menschliche Zivilisation tiberhaupt einen Eingriff in die Natur, sei es durch den
Aufstau Oder durch die Ausleitung von Wasser in einem FlieBgewasser, durch die
Einschrankung der Wasserfuhrung und der Durchgangigkeit fur Fische und andere
Gewasserorganismen, sei es durch Fischausfall in Turbinen oder durch die Sto
ning und Beeintrachtigung urspriinglicher, aquatischer Lebensgemeinschaften.
Handlungsbedarf ergibt sich hieraus fiir die Erhaltung oder Wiederherstellung
okologisch funktionsfahiger Lebensraume und damit fur eine ausgewogene Ab-
stimmung von Energienutzung und okologischem Gleichgewicht, von neugestal-
tendem Wasserbau und Landschaflsschutz.
Aus der Verbindung der Wasserkraft mit einer iibergreifenden Wasserwirt-
schaft, der Mehrzweckaufgaben und dem Hochwasserschutz, resultieren weite
Aufgabenfelder der Modemisierung, der Erweiterung oder des Neubaues von
Wasserkraftanlagen unterschiedlicher GroBe. Auch die Wiederinbetriebnahme
stillgelegter Kleinwasserkraftwerke zur dezentralen Stromversorgung tragt zum
Umweltschutz bei. Entscheidend sind hierbei Akzeptanz, Wutschaftlichkeit und
rechtliche Rahmenbedingungen.
Dieser Tatsache tragt das vorliegende Buch Rechnung. Sein inhaltlicher Aufbau
folgt den vorstehenden Gesichtspunkten fiir die Rangordnung der Wasserkraft in-
nerhalb der konkurrierenden Energiequellen, fiir Umweltvertraglichkeit und Pla-
nungsgrundsatze, Bauausfiihrung und Betrieb. Es stiitzt sich partiell auf das zuletzt
in der 3. Auflage erschienene, englischsprachige Standardwerk „Water Power De
velopment" von Emil Mosonyi. Dieses umfaBt die Einzelbande 1: „Low Head
Power Plants", Ausgabe 1984, und 2/A + B: „High Head Power Plants", Ausgabe
1991, mit insgesamt 2.165 Seiten. Die Bande erschienen hn Verlag der Ungari-
schen Akademie der Wissenschaften, Akademiai Kiado, Budapest. Vorlaufer wa-
ren bis in die 50er Jahre zuruckreichende Fachbiicher des Autors in ungarischer,
deutscher und englischer Sprache.
Die vorliegende, ganzlich neu gefaBte Buchveroffentlichung, die binnen sechs
Jahren in drei Auflagen jeweils erheblich erweitert worden ist, verfolgt das Ziel,
einen moglichst groBen Kreis von Wasserbauingenieuren anzusprechen, ob als
Planer, Konstrukteur, Bau- oder Betriebsleiter, ob im Consulting-Bereich, in der
Vorwort VII
Bauwirtschaft, in staatlichen oder kommunalen Aufsichtsbehorden oder in der
Wissenschafl tatig, ob in seiner Eigenschaft als Student oder Spezialist. Der Leit-
gedanke war, nicht nur Theorie und praktische Umsetzung zusammenzufuhren,
sondem ebenso die Fiille an Erfahrungen der beiden Autoren aus der Berufspraxis
im Wasserbau, aus der Lehre und Forschung sowie aus der Tatigkeit als Beraten-
der Ingenieur und Gutachter intemationaler Finanzierungsinstitutionen einzubrin-
gen. So sehr hierfur der Buchumfang in Grenzen zu halten war, wurde dennoch
auf eine geschlossene, vor allem anschauliche und nachvollziehbare Darstellung
der Einzelthemen und der komplexen Zusammenhange geachtet.
In dieser Absicht einer gesamtheitlichen Wiedergabe der theoretischen Grund-
lagen, Bemessungsansatze, Planungsziele, Konstruktion, Bauausfuhrung und Inbe-
triebnahme, aber auch der Grundsatze fiir eine umweltfreundliche Auslegung und
Gestaltung der Wasserkraftanlage, wurden der maschinen- und elektrotechnischen
Ausrustung gebUhrender Platz eingeraumt. Das Buch sollte zudem fur diesen Be-
reich der Ingenieurwissenschaften dem Leser zumindest die einschlagige Vorpla-
nung ermoglichen, um nicht nur die Gesamtplanung eines Wasserkraftwerkes
sondem auch die statisch-konstruktiven Auswirkungen der Maschinenelemente zu
erfassen. Kennzeichnende Ausftihrungsbeispiele weisen in dieselbe Richtung.
Die gegenuber der 1. Auflage iiber 220 zusatzliche Seiten umfassenden Erweite-
rungen beziehen sich hauptsachlich auf die Themenfelder: Einordnung der Was-
serkraft in die Energiesysteme, Grundsatze der Planung und Wirtschafllichkeits-
untersuchung, Dimensionierungsgrundlagen fiir die verschiedenen Anlagenkom-
ponenten unter Einbeziehung vor allem der Finite-Elemente-Berechnungs-
methoden, die Weiterentwicklungen von hydraulischen Maschinen zur Energieer-
zeugung und Generatoren und schliefilich die verschiedenartigen betrieblichen
Aspekte unter Beriicksichtigung der Fuzzy Logik sowie der Kleinwasserkraftanla-
gen. Eine erhebliche Uberarbeitung mit zahlreichen Erganzungen erfiihren die
Kapitel iiber Elektrotechnische Ausriistung, Pumpspeicheranlagen sowie iiber
Wechselbeziehungen zwischen Wasserkraft und Umwelt, Mindestwasserregelun-
gen und Durchgangigkeit.
Die Gelegenheit bot sich an, mit der 3. Auflage samtliche Wiedergaben statisti-
scher Kennzahlen fur nationale und Internationale Energieversorgungsbereiche
mit Schwerpunkt Wasserkraft zu aktualisieren und uberdies die jiingsten Erkennt-
nisse hinsichtlich Umweltschutz sowie einschlagiger natur- und ingenieuwissen-
schaftlicher Fortentwicklungen zu beriicksichtigen.
Um das vorliegende, inzwischen zweimal fortgeschriebene Fachbuch mit Je
wells neuen Erkenntnissen von Wasserkraftanlagen auszustatten, die in 21 Haupt-
kapitel untergliederten Themenbereiche aufzuarbeiten und diese schlieBlich in
Text und Bild ausgewogen wiederzugeben, bedurfte es der tatkraftigen Zuarbeit
bewahrter wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fiir Wasserbau und Was-
serwirtschaft der Universitat Stuttgart.
Zu diesem besonders zu wiirdigenden Mitarbeiterstab zahlen die Herren Dr.-Ing.
Georg Forster, Dipl.-Ing. Andreas Eisner, Dr.-Ing. Klaus Jorde, Privatdozent Dr.-
Ing. Walter Marx, Dr.-Ing. Matthias Schneider und Dipl.-Ing. Frank Zolbier. Den
Herren Forster und Schneider oblag die Bearbeitung der unter Kapitel 8, 9 und 10
dargestellten Druck- und Verteilrohrleitungen sowie Druckstollen in der 1. und 2.
Auflage, wahrend Herr Zolkier sich dem Kapitel 8 in der 3. Auflage widmete. Des
VIII Vorwort
Kapitels 19 uber das Leitthema Mindestwasser in Verbindung mit dem in Kapitel
13 wiedergegebenen Komplex der Fuzzy Logik sowie Teilen des Kapitels 18
Wasserkraft und Umwelt haben sich im wesentlichen die Herren Jorde, Schneider
und Eisner angenommen. In alien drei Auflagen machte sich Herr Marx um die
Abfassung des Kapitels 11 uber Wasserschlosser und Schwallkammem sowie des
innerhalb des Kapitels 18 neu aufgenommenen Abschnittes Uber Bewirtschaftung
von Talsperren hinsichtlich Wasserkraftgewinnung und landwirtschaftlicher Be-
wasserung sehr verdient.
Herr Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Gutt, Ordmarius fur Elektrische Maschinen,
Antriebs- und Mechatroniksysteme, Direktor des gleichnamigen Institutes der
Universitat Stuttgart, konnte als hochangesehener Fachmann fur die Erstbearbei-
tung des eigenstandigen Buchkapitels „Elektrotechnische Ausrustung" gewonnen
werden. Hierbei wurde er von Herm cand.-el. Markus Schlenker untersttitzt. Hin-
zu gekommen waren ftir die 2. Auflage ebenso die Herren Dr.-Ing. Dietrich Lab-
ahn, Berlin, und Dr.-Ing. habil. Zbigniew Styczynski, Stuttgart, die sich in speziel-
ler Zuarbeit to Herm Prof. Dr.-Ing. Gutt hervorgetan haben. Den genannten Her
ren sei an dieser Stelle ausdriicklich gedankt.
Ftir alle drei Auflagen leistete Herr Dr.-Ing. Stephan Heimerl groBe Dienste.
Dieses trifft um so mehr fiir die vorliegende Ausgabe zu, als daB er inzwischen
von der Universitat Stuttgart in die Privatwirtschaft Ubergewechselt ist und seine
freien Tage Uber lange Monate hinweg eingebracht hat. Wie in den beiden voran-
gegangenen Auflagen fand Herr Dr. Heimerl sich emeut bereit, die mit der um-
fangreichen Erweiterung notwendigen Arbeitsablaufe aufeinander abzustimmen.
Sachkundig wurden anfallende Textuberarbeitungen ebenso ausgefiihrt wie neue
Fassungen sowie Bilder und Tabellen umgesetzt, wo notwendig auch erweitert
und abgerundet. Umsicht, Konnen und Sorgfalt erforderte gleichermaBen die Er-
stellung der fur die unmittelbare Drucklegung abgeschlossenen Vorlage. Mit sei
ner Tatkraft gelang es, die engen Zeitvorgaben ftir die ineinandergreifende Aufga-
benvielfalt einzuhalten. Herm Dr. Heimerl gebiihren daher im besonderen MaBe
Dank und Anerkennung.
Dem weltweit renommierten Springer-Verlag sagen die Verfasser aufrichtigen
Dank ftir seine Initiativen zur Entstehung und zur Fortfuhmng des hervorragend
ausgestatteten Buches, fiir die umsichtige Begleitung der einzelnen Bearbeitungs-
phasen und ftir das vielfach bewiesene Wohlwollen.
Stuttgart/Karlsmhe im Fruhjahr 2003
Jiirgen Giesecke und Emil Mosonyi
Inhaltsverzeichnis
1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung 1
1.1 Ansatze der Wasserkraftnutzung 1
1.2 Wasserradgetriebene Schopfwerke und Miihlen 5
1.3 tJbergang vom Wasserrad zur Wasserturbine 5
1.4 Ferniibertragung elektrischer Energie 7
1.5 Wasserkraftanlagen und ihre Umgebung 8
1.6 Mehrzweckaufgaben der Wasserkraft 11
1.7 Wasserkraftnutzung im Spiegelbild der Energietrager 13
1.7.1 Nutzung von fossilen Energietragem und Kembrennstoffen 13
1.7.2 Nutzung emeuerbarer Energien 14
1.7.3 Kriterien der Energieversorgung und Vergleich der
Energieerzeugungsformen 16
1.7.4 KUnftige Entwicklung der Wasserkraftnutzung 21
1.8 Literatur 22
2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung 23
2.1 Energie des Wassers 23
2.1.1 Energie des mhenden Wassers 23
2.1.2 Energie des flieBenden Wassers 24
2.1.3 Nutzbare Gesamtenergie des flieBenden Wassers 25
2.1.4 Potentielle Energie eines Speichervolumens 29
2.2 Verfiigbares Wasserkraftpotential 30
2.3 Literatur 36
3 Grundsatze der Planung und Projektierung 37
3.1 PlanungsprozeO und Projektentwicklung 37
3.1.1 Projektphasen 37
3.1.2 Besondere Aspekte bei Reaktiviemng, Modemisiemng und
Erweitemng 40
3.1.3 Proj ektentwicklung im Rahmen von Finanziemngsmodellen 42
3.2 Grundlagen fur Auswahl und Weiterentwicklung von
Wasserkraftstandorten 44
3.2.1 Wassermengenwirtschaftliche Erhebungen 45
3.2.2 Energiewirtschaftliche Erhebungen 46
3.2.3 Ausbaugrad 49
X Inhaltsverzeichnis
3.3 Beurteilung von Wasserkraftanlagenprojekten 52
3.3.1 Betriebswirtschaflliche Betrachtung 53
3.3.1.1 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen 54
3.3.1.2 Investitionsrechnung zur Untersuchung der Wirtschaftlichkeit 55
3.3.1.3 Grundlagen der Zinsrechnung, Abschreibung und Annuitat 5 5
3.3.1.4 Statische Verfahren der Investitionsrechnung 5 7
3.3.1.5 Dynamische Verfahren der Investitionsrechnung 57
3.3.1.6 Besondere KenngroBen bei Wasserkraftanlagen 59
3.3.1.7 Wirtschaftlichkeitsaspekte bei Pumpspeicherkraftwerken 65
3.3.2 Gesamtwirtschaftliche und gesamtgesellschaftliche Betrachtung 67
3.3.2.1 Grundlagen der gesamtgesellschaftlichen Bewertungsverfahren 67
3.3.2.2 Gesamtgesellschaftliche Bewertungsansatze bei
Wasserkraftprojekten 68
3.3.2.3 Bedeutung von Mehrzweckaufgaben 69
3.3.3 Ansatz fiir eine systematische Beurteilung von
Wasserkraftanlagenproj ekten 70
3.4 Gesetzliche Vorgaben fur den Bau und Betrieb von
Wasserkraftanlagen 73
3.4.1 Rechts- und Normhierarchie 73
3.4.2 Wesentliche Rechtsnormen fur die Wasserkraft 74
3.5 Versicherung von Wasserkraftanlagen 80
3.6 Literatur 82
4 Typen von Wasserkraftanlagen 83
4.1 Klassifizierung der Wasserkraftanlagen 83
4.2 Einteilung von Wasserkraftanlagen hinsichtlich der Nutzfallhohe 85
4.2.1 Niederdruckkraftwerke 85
4.2.1.1 FluBkraftwerke 85
4.2.1.2 Ausleitungskraftwerke 93
4.2.2 Mitteldruckkraftwerke 94
4.2.3 Hochdruckkraftwerke 95
4.3 Weitere bedeutende Wasserkraftanlagengruppen 98
4.3.1 Pumpspeicherkraftwerke als Regelungskraftwerke 98
4.3.2 Kleinwasserkraftanlagen 101
4.3.3 Dotationskraftwerke 104
4.3.4 Energienutzung in Leitungssystemen 105
4.4 Sonderformen der Wasserkraftnutzung 107
4.4.1 Nutzung der Gezeitenenergie 107
4.4.2 Nutzung der Meeresstromung 116
4.4.3 Wellenenergienutzung 117
4.4.4 Gradientenkraftwerke 121
4.4.5 Depressionskraftwerke 121
Inhaltsverzeichnis XI
4.4.6 Gletscherkraftwerk 122
4.5 Literatur 123
5 Wasserfassung 125
5.1 Anordnung, Bauweise und Bemessung des Einlaufbauwerkes 126
5.1.1 Kraftwerke im FlieBgewasser 126
5.1.2 Entnahme aus FlieBgewassem 126
5.1.3 Entnahme aus stehenden Gewassem 133
5.1.4 Bemessungsgrundlagen ftir das Einlaufbauwerk 13 5
5.2 Schutz gegen Treibgut und Treibeis 147
5.2.1 Rechenanlagen 148
5.2.1.1 Konstruktive Ausbildung 148
5.2.1.2 Bemessung 149
5.2.1.3 Betrieb und Wartung der Rechenanlagen 154
5.2.2 Tauchwand und Schwimmbalken 157
5.3 VerschluBorgane 159
5.4 Literatur 162
6 Freispiegelleitungen 165
6.1 Hydraulische Bemessung 165
6.2 Sedimenttransport 174
6.3 Wellenbildung und Wasserspiegelschwingungen 178
6.4 Konstruktive Ausbildung und Befestigungen 180
6.5 Ubergang in Druckrohrleitungen 185
6.6 Literatur 187
7 Sandfang 189
7.1 Konstruktive Ausbildung 189
7.2 Bemessung 193
7.2.1 Bemessungsgrundlagen 193
7.2.2 Beckenbemessung 194
7.3 Literatur 196
8 Druckrohrleitungen 197
8.1 Rohrtypen und Rohrverbindungen 197
8.1.1 Stahlrohre 199
8.1.2 Druckrohre aus duktilem GuBeisen 203
8.1.3 Betonrohre 203
8.1.4 Rohre aus glasfaserverstarktem Kunststoffharz 204