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Vom Wasserrad zur Turbine (GS)

Fotocollage:
Fotos von einem Wasserrad sowie drei verschiedenen Turbinenarten.

Schon früh setzte man Wasserräder ein, um die Energie von Wasser zu nutzen, z. B. zum Antreiben eines Mühlrads. Die Turbinen, die in Wasserkraftwerken eingesetzt werden, sind eine Weiterentwicklung des klassischen Wasserrads, um Generatoren für die Stromerzeugung anzutreiben. Diese Turbinen heißen nach ihren Erfindern: Pelton, Kaplan und Francis.

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Speicherkraftwerk

Grafik:
Funktionsprinzip eines Speicherkraftwerks.

Beim Speicherkraftwerk wird von Natur aus nachfließendes Wasser mithilfe eines Stausees angestaut und für Bedarfsspitzen bevorratet. Das gestaute Wasser wird dann mittels Druckrohrleitungen zu den Turbinen des niedriger gelegenen Kraftwerks geführt. Die gesamte Lageenergie des Wassers im Speicherbecken ist also ein Energiespeicher für Spitzenzeiten. Kleinere Speicherkraftwerke verwenden Pelton-Turbinen, große Speicherkraftwerke (großer Druck und große Wassermenge) verwenden Francis-Turbinen.

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Windrad in Landschaft

Foto:Windrad mit umgebender LandschaftDas abgebildete Windrad mit 3 MW Leistung steht in Oberbayern. Obwohl diese Gegend nicht besonders windreich ist, lieferte es von Ende 2014 bis Anfang 2017 mehr Strom als geplant und hat sich als wirtschaftlich erwiesen. Überprüfungen ergaben, dass das Windrad in diesem Zeitraum keine negativen Auswirkungen auf Vögel und Fledermäuse hatte.Hinweise und Ideen:Das Foto eignet sich als Einstieg ins Thema Windenergie und Umwelt. Rechercheauftrag: Die Schülerinnen und Schüler können recherchieren, welche gesetzlichen Vorgaben es für die Aufstellung von Windkraftanlagen gibt. Und welche Argumente werden für und gegen die Aufstellung solcher Windräder genannt?


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Dampfdruckkurve und Phasendiagramm von Wasser

Diagramme:Die Dampfdruckkurven (p-V-Diagramm) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm) von Wasser werden gegenübergestellt.Erhitzt man Wasser bei atmosphärischem Normaldruck auf 100 °C, so entsteht Dampf. Wie wirkt sich aber eine Erhöhung oder Absenkung des Drucks auf die Verdampfungstemperatur aus?Die Antwort geben die Dampfdruckkurve (T-Kurven im p-V-Diagramm links) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm rechts) des Wassers. Dampfdruck nennt man den Druck, bei dem Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht miteinander stehen, d. h., es verdampfen ebenso viele Moleküle wie auch wieder kondensieren. Oberhalb der kritischen Temperatur (Zahlenwerte sind angegeben) ist das Wasser, egal bei welchem Druck, immer gasförmig und es kann als reales Gas behandelt werden (Van-der-Waals-Gleichung, Formel ist angegeben). Unterhalb der kritischen Temperatur gibt es zu jeder Temperatur einen Dampfdruck, für den ein Zweiphasengebiet (flüssig und gasförmig) vorliegt. Im Bereich der flüssigen Phase kann man an der steilen Steigung der Kurven erkennen, das flüssige Substanzen kaum kompressibel sind. Die kritische Temperatur darf nicht verwechselt werden mit der Temperatur des Tripelpunkts (siehe p-T-Diagramm). Er kennzeichnet die Werte von Temperatur und Druck, bei der alle Phasen (fest - flüssig - gasförmig) gleichzeitig vorliegen. Hinweise und Ideen:Bei welcher Temperatur kocht Wasser auf dem Mount Everest? Sog. “Dampfdrucktabellen” geben Aufschluss darüber. Interessant wäre auch der Hinweis auf die Phasenwandlungspunkte als Haltepunkte der Temperatur. Beim Phasenübergang von flüssig nach gasförmig führt die zugeführte Energie zunächst nicht zur Temperaturerhöhung. Ebenso beim Schmelzen von Eis. Erst wenn alles Wasser verdampft bzw. geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter.


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Turbinen und Generatoren im Walchenseekraftwerk

Foto:Turbinenhalle im Walchenseekraftwerk bei Kochel in Oberbayern, Deutschland. Links sieht man die horizontal liegenden Francisturbinen und rechts die damit verbundenen Generatoren.Das Walchensee-Kraftwerk gehört zu den größten Speicher-Kraftwerken Deutschlands. Als es 1924 in Betrieb genommen wurde, war es eines der modernsten Speicherkraftwerke weltweit. Es nutzt zwei natürliche Seen, den Walchensee als Oberbecken und den Kochelsee als Unterbecken. Über sechs 430 m lange Druckrohre mit einem nach unten leicht abnehmenden Durchmesser von rund 2 m fließt das Wasser über 200 m Fallhöhe zu den acht Turbinen im Maschinenhaus. Jährlich liefern die 8 Turbinen etwa 300 Millionen Kilowattstunden umweltfreundliche Energie. An die 100.000 Besucher besichtigen jährlich das Informationszentrum am Walchenseekraftwerk.


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Phasendiagramm von Wasser

Diagramm:p-T-Diagramm des reinen Wassers. Die Linien geben an, bei welcher Temperatur und welchem Druck die Phasen fest, flüssig und gasförmig miteinander im Gleichgewicht stehen. Nur am Tripelpunkt sind alle drei Phasen im Gleichgewicht, sonst sind es maximal zwei.Das Diagramm enthält neben den Gleichgewichtskurven (Schmelzdruckkurve, Sublimationskurve, Dampfdruckkurve) auch die Druck- und Temperaturangaben für Schmelz-, Siede-, Tripel- und kritischen Punkt.Achtung: Die Achsen des Diagramms sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.Hinweise und Ideen:In diesem Diagramm spiegelt sich auch die Dichte-Anomalie des Wassers (im festen Zustand niedrigere Dichte als im flüssigen Zustand) wider: Die Schmelzdruckkurve weist eine negative Steigung auf. Grund für die Dichte-Anomalie sind die Wasserstoffbrückenbindungen.


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Wellenkraftwerk

Grafik, beschriftet:Schnitt durch ein Wellenkraftwerk mit Wells-Turbine.In einem Wellenkraftwerk wird die kinetische Energie der Meereswellen in elektrische Energie umgewandelt. Das Wellenkraftwerk z. B. arbeitet nach dem Prinzip einer oszillierenden Wassersäule: Ein trichterförmiges Dach deckt die Wasseroberfläche ab. Darin steigen die Wellen auf und ab, wobei die eingeschlossene Luft komprimiert und dekomprimiert wird. Die in dem Druckunterschied gespeicherte Energie wird über eine sog. Wells-Turbine und einen Generator in Strom umgewandelt. Das Besondere an der Wells-Turbine ist, dass - wenn sie einmal in Bewegung ist - sie die Drehrichtung beibehält, egal aus welcher Richtung sie durchströmt wird. Ein Wellenkraftwerk in Schottland versorgt bereits 50 Haushalte mit elektrischer Energie. Experten schätzen das nutzbare Energiepotenzial der Wellenkraft auf ein Terawatt - das entspricht etwa der Leistung von rund 1.400 konventionellen Kraftwerksblöcken. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis ist allerdings relativ schlecht, es wurden daher seit 2011 weltweit kaum weitere Wellenkraftwerke dieser Art gebaut. Hinweise und Ideen:Worin unterscheidet sich ein Wellenkraftwerk von einem konventionellen Wasserkraftwerk? Wie unterscheiden sich die verwendeten Turbinen in Aufbau und Funktion? Wie kommt es physikalisch zustande, dass sich die Wells-Turbine immer in dieselbe Richtung dreht? Wo auf der Welt gibt es optimale Bedingungen für Wellenkraftwerke? Wie funktioniert der modernste Typ von Meereskraftwerken nach dem “Seaflow” Prinzip?