Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb, 4. Auflage

Dieses Standardwerk der Wasserkraft liegt hiermit bereits in 4. Auflage vor. Es wurde noch st?rker an die Erfordernisse der Praxis angepasst, komplett ?berarbeitet, aktualisiert und – wo es angebracht war – erg?nzt. Wasserkraftanlagen bedeuten Planung, Gestaltung, Ausf?hrung und Betrieb von Bauwerken sowie hydraulischen und elektrischen Komponenten. Ihre Typenvielfalt erkl?rt sich aus den Entwicklungsstufen und den technischen Alternativen der Wasserkraftnutzung und der dazu geh?renden energiewirtschaftlichen Ausrichtung. Schwerpunkte des Werks sind die Wasserkraftnutzung, die zugeh?rigen, unterschiedlichen Bauweisen und -elemente einschlie?lich der maschinen- und elektrotechnischen Ausr?stung. Das Buch richtet sich als umfassendes Lehr- und Fachbuch an Studierende, Ingenieure und Praktiker des Konstruktiven Wasserbaus bzw. Wasserkraftanlagenbetreiber. 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 Dieses Standardwerk der Wasserkraft liegt hiermit bereits in 4. Auflage vor. Es wurde noch stärker an die Erfordernisse der Praxis angepasst, komplett überarbeitet, aktualisiert und – wo es angebracht war – ergänzt. Wasserkraftanlagen bedeuten Planung, Gestaltung, Ausführung und Betrieb von Bauwerken sowie hydraulischen und elektrischen Komponenten. Ihre Typenvielfalt erklärt sich aus den Entwicklungsstufen und den technischen Alternativen der Wasserkraftnutzung und der dazu gehörenden energiewirtschaftlichen Ausrichtung. Schwerpunkte des Werks sind die Wasserkraftnutzung, die zugehörigen, unterschiedlichen Bauweisen und -elemente einschließlich der maschinen- und elektrotechnischen Ausrüstung. Das Buch richtet sich als umfassendes Lehr- und Fachbuch an Studierende, Ingenieure und Praktiker des Konstruktiven Wasserbaus bzw. Wasserkraftanlagenbetreiber.