Manche Nomen werden niedlich, wenn man ihnen das Wort „klein“ hinzufügt. Wie wäre es mit einem Wasserkraftwerk?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Cheng Mingchen (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Ob es sich um die Geburt der vier antiken Zivilisationen oder die Gründung moderner Superstädte handelt, sie alle liegen an den Ufern der großen Flüsse. Der Grund ist einfach: Der fruchtbare Boden und die reichlichen Wasserressourcen in den Flusseinzugsgebieten bieten hervorragende Bedingungen für die landwirtschaftliche Entwicklung. Durch großflächige Landwirtschaft werden mehr Menschen ernährt, was natürlich die Entwicklung der Zivilisation und die Ausbreitung der Städte fördert. In diesem Sinne ernähren Flüsse unsere menschliche Zivilisation.

Standort der vier antiken Zivilisationen

(Fotoquelle: Selbst gemacht)

Heute liefern uns Flüsse neben der traditionellen Bewässerung und dem Brauchwasser auch das Wichtigste, was die moderne Zivilisation benötigt: Energie. Durch den Bau einer Reihe von Wasserkraftwerken an Flüssen können wir billige und saubere Energie gewinnen.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik rasant vorangetrieben. Dem Analyse- und Prognosebericht der Internationalen Energieagentur zufolge beträgt der Anteil der Wasserkraft an der weltweiten Stromerzeugung derzeit etwa 16 % und ist damit die erneuerbare Energiequelle mit der größten Kapazität. Auch im Jahr 2025 wird dieser Anteil noch bei 16 % liegen.

Die Geburt eines Wasserkraftwerks

Die Entstehung von Wasserkraftwerken ist eng mit Wasserrädern verbunden. Schon vor langer Zeit war es den Menschen möglich, Wasserräder zu bauen und so die Wasserkraft zu nutzen. China blickt auf eine sehr lange Geschichte der Nutzung von Wasserrädern zurück.

Gegen Ende der Herrschaft des Han-Kaisers Wu, etwa im Jahr 100 v. Chr., entstand in meinem Land der Prototyp der modernen Wasserturbine: das Wasserrad, das zur Bewässerung und zum Antrieb von Getreideverarbeitungsanlagen verwendet wurde. Anschließend erlebte die Nutzung der Wasserenergie während der Song- und Yuan-Dynastien ihre Blütezeit und es entstanden weltweit führende hydraulische Maschinen wie das wasserbetriebene astronomische Observatorium und das wasserbetriebene Spinnrad. Doch leider gingen diese Technologien bald in der Geschichte verloren. Nach dem Beginn der Ming- und Qing-Dynastien kam es in meinem Land zu einer völligen Stagnation der Wasserenergienutzungstechnologie.

Rekonstruktion eines wasserbetriebenen Spinnrades

(Fotoquelle: Chinesisches Wissenschafts- und Technologiemuseum)

Im frühen 18. Jahrhundert erfanden die Franzosen die Reaktionsturbine, sie war jedoch ineffizient. Im Jahr 1849 verbesserte der Amerikaner James Francis sie und entwickelte die erste moderne Wasserturbine, womit die Nutzung der Wasserenergie in die Praxis umgesetzt wurde.

Patentzeichnung einer modernen Wasserturbine aus dem Jahr 1880

(Bildquelle: Wikipedia)

Mit der Erfindung und Weiterentwicklung von Generatoren feierte die Kombination „Turbine + Generator“ Premiere. Im Jahr 1882 wurde am Fox River im US-Bundesstaat Wisconsin das erste Wasserkraftwerk der Welt gebaut. Dies markierte den Beginn der Stromerzeugung durch Wasserkraft. Seitdem hat es weltweit eine Welle der Wasserkraftentwicklung gegeben.

Im Jahr 1910, im 36. Regierungsjahr von Kaiser Guangxu der Qing-Dynastie, baute mein Land endlich sein erstes Wasserkraftwerk, das Shilongba-Wasserkraftwerk. Es liegt am Oberlauf des Mantis-Flusses in der Stadt Kunming in der Provinz Yunnan. Es wurde vom Geschäftsmann Wang Xiaozhai finanziert und gebaut und weist eine Fallhöhe von 15 Metern auf. Durch die Einführung fortschrittlicher ausländischer Technologien und Ausrüstungen, darunter Turbinen von Voith und Generatoren von Siemens aus Deutschland, konnte die 32 Kilometer vom Kraftwerk entfernte Stadt Kunming mit Strom versorgt werden.

Die erste Werkstatt des Wasserkraftwerks Shilongba, dem ersten Wasserkraftwerk Chinas. Der Vers auf dem Tor lautet „Die Maschine ist aus der Natur geboren, und das Instrument ist mit Hilfe des Wassers exquisit und wunderbar“, und auf dem Türsturz steht „Das Licht des hellen Mondes“, was das damalige Verständnis der Menschen für Wasserkraft widerspiegelt.

(Bildquelle: Wikipedia)

Das Öffnen der Staudammtore zum Ablassen von Wasser bedeutet die Erzeugung von Elektrizität? NEIN

Obwohl es viele verschiedene Möglichkeiten zur Stromerzeugung gibt, gibt es auch viele Gemeinsamkeiten. Beispielsweise können die meisten Methoden zur Stromerzeugung (mit Ausnahme der Stromerzeugung durch Photovoltaik) nicht von einem Generator getrennt werden, wie etwa Wärmekraft, Wasserkraft, Windkraft usw.

Um den Generator anzutreiben und ihn rotieren zu lassen, muss die Energiequelle am vorderen Ende (Dampf, Wasserstrom, Luft usw.) ihre eigene lineare Bewegung durch eine Turbomaschine (Dampfturbine, Wasserturbine, Windturbine) in eine Rotationsbewegung umwandeln. Mit anderen Worten: Nur fließendes Wasser kann Strom erzeugen, das im Stausee gespeicherte Wasser kann jedoch nicht direkt Strom erzeugen. Es muss zunächst seine eigene Energie in kinetische Energie umwandeln.

Mit dem oben genannten Wissen wird uns natürlich klar, dass es sich bei der Stromerzeugung durch Wasserkraft eigentlich um die Nutzung von Turbinen zur Umwandlung der Gravitationsenergie des Wassers in elektrische Energie handelt. Viele Menschen haben vielleicht den spektakulären Anblick des herabstürzenden Wassers gesehen, wenn der Damm geöffnet wird, um Wasser abzulassen, und sind vielleicht davon ausgegangen, dass es sich dabei um das Wasserkraftwerk handelt, das Strom erzeugt. Dies ist jedoch nicht der Fall.

Der Drei-Schluchten-Damm öffnet seine Tore, um Wasser abzulassen

(Bildquelle: Wikipedia)

Zwar beruht Wasserkraft auf der potenziellen Gravitationsenergie, doch bezieht sie sich nicht auf das Wasser, das aus einem Damm fließt, sondern auf das Wasser im Damm. Je tiefer das Wasser im Damm ist, genauer gesagt, je größer die vertikale Höhe vom Dammniveau bis zum Turbineneinlass (fachsprachlich als Fallhöhe bezeichnet), desto größer ist die potentielle Gravitationsenergie. Wenn das Schleusentor geöffnet wird, fließt Wasser aus dem Tor und treibt die Turbine an, wodurch Gravitationsenergie in mechanische Energie umgewandelt wird, die dann durch einen an die Turbine angeschlossenen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.

Funktionsweise von Wasserkraftwerken

(Bildquelle: Wikipedia)

Wasserkraftwerk: Ich möchte auch mit Fischen befreundet sein

Wasserkraft ist eine wichtige saubere Energiequelle, doch wenn sie nicht richtig gebaut wird, kann sie auch einige ökologische Probleme verursachen. Erstens kann der Bau von Staudämmen die Wanderrouten und Lebensräume von Wassertieren zerstören. Zweitens können Turbinen während ihrer Rotation auch Wassertieren, insbesondere Fischen, Schaden zufügen.

Die Ursachen für Fischverletzungen beim Durchqueren von Turbinen lassen sich in vier Kategorien einteilen: Kollision, Wasserdruck, Wirbel und Kavitation. Während der Hochgeschwindigkeitsrotation der Turbine können Fische beim Durchqueren der Turbine leicht von den Rotorblättern getroffen werden. die Turbine verursacht drastische Veränderungen des Wasserdrucks und kann dadurch die Schwimmblase der Fische schädigen; der entstehende, schnell rotierende Wirbel zieht auch die Fische hinein und setzt sie einer größeren Scherkraft aus; Durch die Rotation der Turbine werden außerdem Kavitationsblasen erzeugt, die an der Oberfläche des Fisches platzen und Hochdruckstoßwellen erzeugen.

Fischbewegung am Einlass eines Axiallaufrads

(Bildquelle: Referenz [6])

Die Verbesserung der Fischfreundlichkeit ist einer der aktuellen Entwicklungstrends von Wasserkraftwerken. Die internationale Gemeinschaft legt großen Wert auf dieses Thema. Die Überlebensrate der Fische ist ein wichtiger Indikator zur Bewertung der Umweltfreundlichkeit von Wasserkraftprojekten.

Obwohl Verbesserungen an vorhandenen Turbinen die Schäden für Fische verringern können, kann die Entwicklung neuer Turbinen das Problem grundsätzlich lösen.

Als Reaktion darauf brachte das amerikanische Unternehmen Alden im Jahr 1993 eine Alden-Turbine mit einer besonderen Form auf den Markt, die nur drei Spiralschaufeln verwendet und durch eine rotierende Abdeckung unterstützt wird, um Wirbel zu eliminieren, sodass Fische durch den Spalt zwischen den Schaufeln und dem Sitzring gelangen können. Die Ergebnisse des Modellversuchs zeigen zwar, dass es im Unterwasserrohr zwar immer noch kleine Strudel gibt, die Fische verwirren können, die Sicherheit ist im Vergleich zu herkömmlichen Turbinen jedoch deutlich verbessert.

Alden-Turbine

(Bildquelle: Referenz [5])

Nach Jahren kontinuierlicher und aktiver Erkundung hat sich das Designniveau der fischfreundlichen Turbinen meines Landes stetig verbessert und es wurden gute Ergebnisse erzielt. Es wird in vielen Wasserkraftwerken angewendet und gefördert.

**Neben Turbinen stellen auch Staudämme eine große Herausforderung für Fische dar. Der Bau einer Fischtreppe kann den Fischen helfen, den Damm zu passieren und flussaufwärts zu schwimmen. **Eine Fischtreppe ist eigentlich eine Treppe für Fische. Durch die Anlage von Wasserläufen mit sanftem Gefälle, Hindernissen wie Leitblechen zur Verlangsamung der Wasserströmung und Ruheplätzen für Fische wie Tümpeln unterhalb des Staudamms wird ein aufwärts gerichteter Kanal für Fische geöffnet. Die Fische können flussaufwärts schwimmen, das darüber liegende Becken erreichen, sich ausruhen und den Vorgang dann wiederholen, bis sie die Leiter verlassen und schließlich über das „Drachentor“ springen.

Fischtreppe am John Day Dam, USA

(Bildquelle: Wikipedia)

Seit Beginn dieses Jahrhunderts legt mein Land großen Wert auf den Bau von Fischtreppen in Wasserkraftwerken und hat eigens den Standard „Richtlinien für die Gestaltung von Fischtreppen für Wasserschutz- und Wasserkraftprojekte – SL609-2013“ herausgegeben.

Um die Fische im Fluss bestmöglich zu schützen, haben die Ingenieure beim Bau des Wudongde-Wasserkraftwerks einen „geraden Aufzug“ für die Fische entwickelt. Es handelt sich um ein Gerät zum Fischen im Unterwasserbereich. Am Unterwasserauslass des Generatorsatzes sind Fischfangstationen und Fischfangboxen aufgestellt. Die Eigenschaft der Fische, stromaufwärts zu schwimmen, wird ausgenutzt, um sie dazu zu bewegen, in den „Aufzug“ zu gelangen, der dann schnell stromaufwärts des Damms angehoben wird. Statistiken zeigen, dass dieses „Liftsystem“ seit der Inbetriebnahme des Wasserkraftwerks Wudongde im Jahr 2020 täglich mehr als 1.000 Fischen geholfen hat.

Kleines Wasserkraftwerk: Großer, du kannst mir meine Freunde nicht stehlen

Was viele nicht wissen: Neben großen Wasserkraftwerken gibt es auch kleine Wasserkraftwerke. Kleine Wasserkraftwerke können die Gesundheit und Sicherheit der Fische in höchstem Maße schützen, indem sie Wasser umleiten und Zuflüsse bilden, um Strom zu erzeugen.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Ausgereiftheit der Technologie wird die Effizienz der Turbinen immer höher und die Wasserkraftwerke werden immer größer. Obwohl große Wasserkraftwerke enorme Vorteile bringen können, etwa in den Bereichen Hochwasserschutz, Stromerzeugung, Schifffahrt, Viehzucht, Tourismus und Bewässerung, gibt es nicht viel Spielraum für die Entwicklung großer Wasserkraftwerke. Der nächste Schritt kann nur die Infiltration kleiner Wasserkraftwerke sein.

Kleine Wasserkraftwerke wurden schon immer oft übersehen. Tatsächlich werden für jedes große Wasserkraftwerk, das gebaut wird, 11 kleine Wasserkraftwerke gebaut. Auch wenn die Standards für große und kleine Kraftwerke von Land zu Land unterschiedlich sind, lässt sich nicht leugnen, dass der Beitrag kleiner Wasserkraftwerke zur Energie- und Stromerzeugung dem großer Wasserkraftwerke in nichts nachsteht. Allerdings stehen diese kleinen Wasserkraftwerke oft in einem harmonischeren Verhältnis zur umgebenden Umwelt und verkörpern das Konzept einer harmonischen Entwicklung zwischen Mensch und Natur. Kleine Wasserkraftwerke lassen sich grob in vier Kategorien unterteilen, je nachdem, ob sie Zuflüsse und ob sie über Stauseen verfügen.

Vier Arten von Kleinwasserkraftwerken

Bildquelle: The Ecological Society of America

Obwohl Wasserkraftwerke auf Grundlage verschiedener Aspekte wie Staudammhöhe, Wasserspeicherkapazität, Nennleistungserzeugung oder Investitionskosten in große und kleine Kategorien unterteilt werden können, gibt es keine strikte einheitliche Definition der beiden Kategorien. Kleine Wasserkraftwerke sind relativ gesehen schonender für die umgebende ökologische Umwelt. Allerdings ist es nicht einfach, lückenlos wissenschaftliche Beweise zu finden, denn „ein Fisch kann nicht zweimal in denselben Fluss steigen“ und es ist nahezu unmöglich, zwei völlig ähnliche Flüsse zu finden, um eine Reihe von Kontrollexperimenten durchzuführen.

Im Vergleich zu großen Wasserkraftwerken verschließen kleine Wasserkraftwerke den Fluss jedoch in der Regel nicht vollständig, sodass Fische den Damm ungehinderter passieren können. Darüber hinaus ist der Wasserdruck in den Staudämmen großer Wasserkraftwerke höher, die Turbinenblätter sind größer und gefährlicher und der erzeugte Lärm beeinträchtigt auch die Kommunikation zwischen den Fischen. Ganz anders ist die Situation bei Kleinwasserkraftwerken.

Kleine Wasserkraftwerke haben tatsächlich einen gewissen positiven Effekt auf die umgebende ökologische Umwelt. Beispielsweise kann der vor dem Damm installierte Filter Abfallstoffe aus dem Wasser filtern und das Flusswasser sauber halten. Gleichzeitig kann es auch den Wasserfluss verlangsamen und den Verschmutzungszustand des Flussufers verbessern. Dies trägt dazu bei, dass die Fische in Frieden und Zufriedenheit leben und arbeiten können!

Abschluss

Der Bau eines jeden Wasserkraftwerks erfordert eine sorgfältige und wiederholte Prüfung. Wir glauben, dass die kontinuierliche Forschung der Wissenschaft und der kontinuierliche Fortschritt der Technologie die harmonische Entwicklung von Mensch und Natur fördern werden.

Verschiedene saubere und erneuerbare Energiequellen

(Bildquelle: alamy, übersetzt vom Autor)

Verweise

[1] Thiago BA Couto* und Julian D Olden. Weltweite Verbreitung kleiner Wasserkraftanlagen. Pflanzen – Wissenschaft und Politik. 2018; 16(2): 91–100, doi: 10.1002/fee.1746.

[2] Abschlussbericht – Pilotmaßstabstests Alden/Concepts NREC Turbine. US-Energieministerium, Advanced Hydropower Turbine Systems Program, 2003.

[3] Twaróg B., Die Entwicklung kleiner Wasserkraftwerke im Mittelgebirge, Abschlussbericht, Technische Universität Krakau, Februar 2014.

[4] Endgültiger Turbinen- und Testanlagen-Designbericht Alden/NREC Fish Friendly Turbine, erstellt von Alden Research Laboratory, Inc. Northern Research and Engineering Corporation für das Idaho Operations Office des US-Energieministeriums, September 2000.

[5]Entwicklung und Einsatz fischfreundlicher Wasserkraftturbinen: Vorläufige Konstruktion und Modelltests der Alden-Turbine. Abschlussbericht, Oktober 2011. Electric Power Research Institute, Oktober 2011.

[6] Yang Dandan. Bewegungsverhalten und Schadensanalyse von Fischen in Axialpumpen[D]. Peking: Tsinghua-Universität. 2021.