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Wasserturbine: Funktionsweise
Wasserkraft ist die wichtigste erneuerbare Energiequelle in der Schweiz. Die modernen Wasserturbinen in den Wasserkraftwerken bringen heute sehr hohe Leistungen. Wie sie funktionieren, erfahren Sie hier.
Wasserkraftwerke prägen das Landschaftsbild in der Schweiz. Das Gebirge und die hohen Niederschläge bieten optimale Voraussetzungen zur Nutzung dieser erneuerbaren Energiequelle. Heute stammen nach Angaben des Bundesamtes für Energie 56 Prozent der inländischen Stromproduktion aus Wasserkraft.
Ein zentrales Element der heutigen Wasserkraftwerke ist die Wasserturbine. Sie wandelt die Energie des Wassers in Bewegung um, das heisst sie dreht sich. Mithilfe eines Generators, den die Turbine antreibt, wird so elektrische Energie gewonnen. Es entsteht Wechselstrom, der ins Stromnetz eingespeist werden kann. Eine Wasserturbine kann heute eine Leistung von bis zu 1000 Megawatt erreichen.
Vorläufer moderner Wasserturbinen: Wasserrad
Ein einfaches Modell für eine moderne Wasserturbine ist das Wasserrad. Das gab es schon in der Antike. Bei einem Wasserrad trifft der Wasserstrahl von oben auf die Schaufeln. Das setzt es in Bewegung und treibt zum Beispiel Mühlensteine an. Ein Wasserrad kann aber die Energie des Wassers nicht optimal ausnutzen. Moderne Wasserturbinen im Gegensatz dazu können das schon. Sie können die Wasserenergie zu über 80 Prozent in Bewegung umwandeln. Man spricht daher von Wirkungsgraden von 80 bis 95 Prozent. Nur ein kleiner Teil der Wasserenergie geht zum Beispiel durch Reibung in den Dichtungen verloren.
Zur Geschichte der Wasserturbine
Bei der Entwicklung der modernen Wasserturbinen waren auch zwei Schweizer beteiligt: Daniel Bernoulli und Leonhard Euler. Der Mathematiker Bernoulli fand im 18. Jahrhundert eine Gleichung, welche die Druckenergie des Wassers, seine Strömungsgeschwindigkeit (kinetische Energie) und die Fallhöhe des Wassers (potenzielle Energie) betrachtet. Daraufhin entwickelte der Basler Leonhard Euler eine Turbine, die nicht nur die Fallhöhe des Wassers nutzen konnte, wie das beim antiken Wasserrad der Fall war, sondern auch den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit. Aber erst Anfang des 19. Jahrhunderts erfand der Franzose Benoît Fourneyron die erste Wasserturbine, welche industriell eingesetzt werden konnte.
Quelle: Bundesamt für Energie
Wie ein Wasserkraftwerk mit Wasserturbinen heute funktioniert, sehen Sie auch im folgenden kurzen Film am Beispiel eines Kraftwerks im Kanton Aargau:
Welche weiteren Typen von Wasserturbinen es gibt, wie sie funktionieren und für welche Arten von Kraftwerken sie genutzt werden, lesen Sie im zweiten Teil des Artikels.
Eine Wasserturbine muss an die unterschiedliche Fallhöhe und die Menge des durchfliessenden Wassers angepasst werden. So sind die Turbinen häufig Einzelanfertigungen für jedes Kraftwerk. Je nach Fallhöhe und Wassermenge werden die Turbinen im Wesentlichen unterschieden in Kaplan-, Francis- und Pelton-Turbinen. Diese drei bekanntesten Wasserturbinen-Arten stellen wir im Folgenden kurz vor.
Das Laufrad einer Pelton-Turbine. Foto: www.wws-wasserkraft.at
Pelton-Turbine
Eine in der Schweiz oft anzutreffende Wasserturbine ist die Pelton-Turbine. Sie ist nach dem amerikanische Ingenieur Lester Allan Pelton benannt. «Sie ist für grosse Fallhöhen geeignet und in der Schweiz häufig anzutreffen, besonders in den Kraftwerken wie etwa Fionnay, Nendaz und Bieudron, die ihr Wasser aus dem Grande-Dixence-Komplex beziehen», erklärt François Avellan, Professor und Direktor des Laboratoire de machines hydrauliques an der ETH Lausanne in einem Beitrag des Bundesamtes für Energie. In der Regel eignet sich die Turbine für Fallhöhen von 100 bis über 1000 Meter und für kleine Wassermengen.
Das Wasser gelangt von einem höher gelegenen Speicherbecken, zum Beispiel einem Stausee, durch ein Druckrohr zur Turbine. Bei einer Fallhöhe von 1000 Metern kann es Geschwindigkeiten von fast 500 Kilometern pro Stunde erreichen. Das Wasser trifft dann aus einer oder mehreren Düsen, je nach Wassermenge, auf die Schaufeln des Laufrades. Diese becherartigen Schaufeln haben in der Mitte eine Schneide, welche das Wasser, das darauf trifft, in zwei Strahlen teilt. Sie soll verhindern, dass die Schaufeln durch den hohen Druck des Wassers zu schnell kaputt gehen. Der Wasserstrahl wird in den Schaufelhälften um fast 180 Grad abgelenkt. Dadurch kann fast die gesamte Energie des Wassers an das Laufrad abgegeben werden, welches sich dadurch dreht.
Das Laufrad einer Francis-Turbine. Foto: www.wws-wasserkraft.at
Francis-Turbine
«Francis-Turbinen sind die stärksten Turbinen der Welt, die erreichen heute eine Leistung von 850 Megawatt», sagt François Avellan. Sie werden vor allem bei mittleren Fallhöhen von etwa 20 bis 200 Metern und konstanten Wassermengen eingesetzt. Diese Turbinen werden heute am meisten verwendet. Benannt sind sie nach dem amerikanischen Ingenieur James B. Francis, der sie 1849 entwickelte. Die Turbine erreicht einen hohen Wirkungsgrad von 90 Prozent.
Bei der Francis-Turbine gibt es neben dem Laufrad, welches wie ein schneckenförmiges Rohr oder eine Spirale aussieht, auch ein feststehendes sogenanntes Leitrad. Die beweglichen Schaufeln am Leitrad sind dazu da, die Wassermenge zu regulieren. Das Wasser wird nun durch das Leitrad auf die Schaufeln des Laufrades gelenkt. Im Laufrad wird das Wasser um 90 Grad abgelenkt. Die dabei frei werdende Energie ermöglicht es, dass sich das Laufrad dreht und der damit verbundene Generator angetrieben wird.
Das Laufrad einer Kaplan-Turbine. Foto: www.wws-wasserkraft.at
Kaplan-Turbine
Für grosse Durchflussmengen von Wasser, einen sehr geringen Wasserdruck und niedrige Fallhöhen ist die Kaplan-Turbine geeignet. Das sind vor allem ruhig fliessende Grossgewässer wie Flüsse. Der Österreicher Viktor Kaplan entwickelte sie 1913 aus der Francis-Turbine weiter. Sie kann einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 Prozent erreichen.
Das Laufrad der Kaplan-Turbine sieht aus wie ein Schiffspropellor. Ähnlich wie bei der Francis-Turbine gibt es ein Leitwerk mit Leitschaufeln, welches die Wassermassen auf die Schaufeln des Laufrades lenkt. Die Laufradschaufeln und auch die Leitschaufeln sind verstellbar und können so an die Menge des durchfliessenden Wassers angepasst werden. Die Leitschaufeln lenken das Wasser so auf die Laufradschaufeln, dass die Energie des Wassers optimal übertragen werden kann.
Link-Tipps zum Thema Wasserturbine
- Detaillierte Informationen zu den verschiedenen Turbinenarten gibt auf den Seiten der Fachhochschule Aachen. www.alt.fh-aachen.de
- Das Technische Museum Wien veranschaulicht die Funktionsweise der Turbinenarten in einer Flash-Animation. www.tmw.at
Text: Angela Zimmerling