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Wasserkraft ist die zuverlässige, günstige und bei guter Planung eine umweltschonende Möglichkeiten zur Elektrizitätsversorgung. Man unterscheidet zwischen Laufkraftwerken an einem fliessendem Gewässer und Speicherkraftwerken mit einem Stausee, bei dem der Strom dann erzeugt wird, wenn er gebraucht wird.
Die hydraulische Bruttoleistung \(P\) [W] errechnet sich aus dem Produkt der Wassermenge \(\dot m\) [kg/s] der Fallhöhe \(h\) [m] und der Erdbeschleunigung \(g\) [9,81 m/s²].
\(P = \dot m \cdot g \cdot h\)
Für kleine Anlagen kann folgende Faustformel angewendet werden:
Wassermenge [Liter/Minute] \(\cdot\) Druckhöhe [m] = Jahresertrag [kWh/a]
Beispiel: 1000 l/min \(\cdot\) 100 m = 100'000 kWh/a
Die durchschnittliche Wassermenge muss bekannt sein. Diese Faustformel basiert auf einem Wirkungsgrad von 70 % und ignoriert die Einheitenbeziehung.
Grosse Wasserkraftwerke (100 MW) erreichen einen Wirkungsgrad von über 90 %, gute kleine Wasserkraftwerke (10 kW) immerhin noch 80 %.
Komponenten eines Wasserkraftwerks
Ein Wasserkraftwerk besteht aus mehreren Anlageteilen. Bei den meisten Wasserkraftwerken liegt der grosse Aufwand im Wasserbau, die Turbinen und der elektrotechnische Teil verursachen nur 10 bis 20 % der Kosten. Aus diesem Grund werden Wasserkraftwerke auch meistens von Bauingenieuren geplant. Für den Betrieb werden dann vor allem Elektrotechniker eingesetzt.
Ein Wasserkraftwerk besteht aus folgenden Komponenten:
|Anlageteil||Unterteilung||Bemerkungen|
|Staueinrichtung||Staufläche||Bodenpreis, Rodung ... (2 bis 10 CHF/m²)|
|Staumauer||Materialabtrag, Beton (300 bis 600 CHF/m³)|
|Grundablass||zur Spühlung des Stausees|
|Überlaufwehr||zum kontrollierten Ablass bei Hochwasser|
|Fischtreppe||für die "Wanderung" der Fische|
|Schiffsschleuse||wenn das Gewässer schiffbar ist|
|Dotierkraftwerk||für die Restwassermenge|
|Wasserfassungen||Wehr||zum Fassen des Gewässers|
|Sandfang mit Spülschütz||zum Entfernen von Sand|
|Rechenanlage||zum Entfernen von Treibgut|
|Wasserschloss mit Schieber||mit Niveaumessung für die Mengenregelung|
|Druckleitung||Rohr, Stollen, Aushub||je nach Gelände (ab 300 CHF/m)|
|Maschinenhaus||Schacht, Gebäude, Kaverne||je nach Ausführung (ab 100 CHF/m³)|
|Rohrleitungen, Schieber||mit Druckentlastung bei Schnellabschaltung|
|Bypass||für die Wasserführung ohne Turbine|
|Turbinen, Pumpen||je nach Ausführung (ab 300 CHF/kW)|
|Elektrotechnik||Generator||je nach Ausführung (ab 100 CHF/kW)|
|Erregereinrichtung||für Synchrongeneratoren|
|Schutzeinrichtung||Elektroinstallation, Generatorschalter ...|
|Regeltechnik||Turbinenregler, Synchronisationseinrichtung ...|
|Energieabgabe||Transformator, Messtechnik, Schalter|
|Energietransport||Freileitung, Kabel (ab 100 CHF/m)|
|Vorfluter||Ausgleichsbecken, Kanal||Rückführung ins Gewässer|
Trinkwasser-Kraftwerke
Im Berggebiet gibt es noch erhebliches Nutzungspotential für Trinkwasser-Kraftwerke, welche keinen negativen Einfluss auf die natürlichen Gewässer haben.
Reservoir-Einlauf
Die erste Nutzungsmöglichkeit gibt es beim Einlauf des Quellwassers ins Reservoir. Dazu muss die Zuleitung druckfest sein. Bei der Quelle wird ein kleines Becken mit etwa einem Kubikmeter Inhalt benötigt. Mit der darin eingebauten Wasserstands-Messung kann man die Turbine so regeln, dass immer Wasser bis oben in der Leitung ist. Damit der Strom genutzt werden kann, benötigt das Kraftwerk beim Reservoir einen Stromanschluss. In der Schweiz gibt es mehrere Hundert solche Kraftwerke. Je nach Druckhöhe (bis über 1000 m) und Wassermenge sind das Leistungen von 5 kW bis über 1000 kW.
Druckreduzierung
In vielen Gemeinden gibt es verschiedene Druckzonen, damit in den unteren Zonen der Wasserdruck nicht zu hoch ist (üblicherweise unter 12 bar). Um den Druck anzupassen, werden Druckreduzierventile eingebaut, welche die hydraulische Energie in Wärme umwandeln. Eine Wasserturbine für Gegendruck würde den Druck auch reduzieren und dabei Strom erzeugen. Rentabel sind Anlagen mit einer grossen Druckdifferenz und einer grossen Wassermenge.
Reservoir-Überlauf
Trinkwasser-Versorgungsanlagen über Quellen sind meistens so dimensioniert, dass über das ganze Jahr mehr Wasser zur Verfügung steht, als benötigt wird. Das überschüssige Wasser gelangt über den Überlauf aus dem Reservoir in die Meteorwasserleitung oder direkt in ein Gewässer. Eine Nutzung beim Reservoir macht keinen Sinn, da dort keine Druckhöhe vorhanden ist. An einer tiefen Stelle im Wasserversorgungsnetz ist aber ein hoher Druck. Wenn dort eine Trinkwasser-Turbine ans Hydrantennetz angeschlossen wird, kann diese genau soviel Wasser turbinieren, dass kein mehr Überlauf entsteht. Zur Regelung benötigt sie den Wasserstand im Reservoir. Das turbinierte Wasser wird dann in eine nahe gelegene Meteorwasserleitung oder in ein Gewässer geleitet. Je nach Situation kann es dort noch für eine Kühlanlage, eine Wärmepumpenheizung oder eine Fischzucht verwendet werden. Ein Beispiel für ein Überlauf-Kraftwerk gibt es in Sufers. Solche Überlauf-Kraftwerke machen energetisch nur Sinn, wenn nicht gleichzeitig Grundwasser ins Reservoir gepumpt wird.
Turbinentypen für Trinkwasser-Kraftwerke
In Trinkwasser-Kraftwerken werden meistens Peltonturbinen mit Asynchrongeneratoren eingesetzt. Bei Anlagen mit geringen Unterschied der Zuflussmenge oder beim Betrieb mit Gegendruck sind Francisturbinen zu finden, welche einen hohen Wirkungsgrad haben, aber relativ teuer sind. Rückwärts-Laufende Kreiselpumpen sind zwar günstig, die Wassermenge lässt sich aber nicht regeln, sie eigenen sich also nur für konstante Wassermengen.
Wirtschaftlichkeit eines Wasserkraftwerkes
Je nach Situation und Anlagengrösse ergeben sich Investitionskosten von 500 CHF/kW bis 20'000 CHF/kW. Bei Grossanlagen kann von einem Mittelwert um 2000 bis 8000 CHF/kW ausgegangen werden. Bei einer Lebensdauer von 40 Jahren und einer mittleren Ausnützung von 50 % der installierten Leistung über 8760 h/a ergeben sich für grosse Wasserkraftwerke Kapitalkosten (inklusive 3 % Zinsen) von 2,5 bis 10 Rp.kWh.
Beispiel für die Kosten eines neues 100 kW Druckwasserkraftwerk mit 500 m Fallhöhe:
|Grösse||Kosten||Bemerkungen|
|Fassung||80 kCHF||Einfache Fassung eines Bergbaches|
|Druckleitung||500 kCHF||1000 m Druckleitung, 140 mm Durchmesser|
|Technik||150 kCHF||100 kW Peltonturbine mit Asynchrongenerator|
|Infrastruktur||120 kCHF||Gebäude, 300 m Anschlussleitung|
|Planung||150 kCHF||Projektierung, Bauleitung, Gebühren|
|Total||1000 kCHF||Investitionskosten Total|
|Kapitalkosten||30 kCHF/a||bei einer Verzinsung mit 3%|
|Abschreibung||25 kCHF/a||linear über 40 Jahre|
|Versicherung||5 kCHF/a|
|Unterhalt||5 kCHF/a||2 Stunden pro Woche für 50 CHF/h|
|Erneuerung||5 kCHF/a||Reparaturen, Ersatz|
|Aufwand||70 kCHF/a||Jahreskosten|
|Produktionskosten||0.16 CHF/kWh||bei durchschnittlich 50 kW während 8760 h/a|
Produktionskosten
In der Schweiz haben grosse Wasserkraftwerke Herstellungskosten von 3 bis 6 Rappen pro Kilowattstunde. Die tiefen Werte gelten für Anlagen, welche über 50 Jahre alt sind. Zu diesen Kosten kommen noch die Wasserzinsen dazu, welche jährlich an den Kanton und den Konzessionsgemeinden zu entrichten sind. Teilweise wurde über die Konzessionsdauer auch noch ein fester zu versteuernder Jahresgewinn festgelegt.
Der maximale Wasserzins wird vom Bundesrat festgelegt und orientiert sich an der Bruttoleistung in Kilowatt. Die Bruttoleistung ist die durchschnittliche hydraulische Leistung des genutzten Gewässers. Der Wirkungsgrad oder Produktionsunterbrüche werden nicht berücksichtigt. In einigen Kantonen ist die Bruttoleistung die durchschnittliche Abgabeleistung mal 1.3. Von 1918 bis 1953 war der Wasserzins 6 Franken pro PS (8.2 CHF/kW), seit 2015 sind es 110 Franken pro Kilowatt, was etwa der Entwicklung der Arbeitslöhnen entspricht.
Umgerechnet auf die produzierte Kilowattstunde sind das 110 CHF/kWh \(\cdot\) 1.3 / 8760 h/a = 0.0163 CHF/kWh, also 1.6 Rappen pro Kilowattstunde. Zusammen mit den Herstellungskosten ergeben sich Produktionskosten von 4.5 bis 8 Rappen pro Kilowattstunde.