Talsperren und Wasserkraft
Rwth Uiw Aachen
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Flashcards
Was sind gewichtstaumauern und welche sicherheitsnachweise müssen für sie erbracht werden ?
-halten wasser aufgrund von Gewicht zurück
- Kräfte werden über Sohle auf untergrund übertragen
- Berrechnung mir Fem-Modellen
-gebaut aus einzelnen betonteilen
-bei maximalen Einstau noch Druckspannungen auf den Untergrund am wasserseitigen Mauerfuß vorhanden sein müssen
- Keine Zugspannungen in der Staumauer sowie zwischen Sohle und Mauer
- keine Überschreitung der zulässigen Druckspannungen
- keine Überschreitung der zulässigen Bodenpressungen
- Standsicherheitsnachweis gegen Gleiten
- Standsicherheitsnachweis gegen Kippen
Wann können Bogensteinmaauern eingesetzt werden ?
Typen ?
- lenkt kräfte in boden +Talwände ab
- hängt von solotographie + geologie ab
- nur bei engen annähernd symetrischen talquerschnitte + tragfähige Talflanken
-verhältnis l /H 1:6
Es existieren verschiedene Typen von Bogenstaumauern: - Zylindertyp - Gleichgewichtstyp - Kuppeltyp - Schalenstaumauern
was ist eine Zylindermauer + def
Die Zylindermauer hat einen kreisförmigen Radius r in allen Höhenlagen und eine üblicherweise senkrechte Wand über die gesamte Bauwerkshöhe. Die Berechnung der erforderlichen Bauwerksdicke d wird anhand der Ringformel durchgeführt.
was ist ein gleichwinkeltyp
Beim Gleichwinkeltyp handelt es sich um eine Bogenstaumauer mit gleichen Öffnungswinkeln, aber verschiedenen Radien. Dieser Typ ist insbesondere für Täler mit schmaler Sohle und steilen Hängen geeignet.
was sind Pfeilstaumauern
- -die wasserseitige Stauwand überträgt die wirkenden Kräfte in den Untergrund
- geringe eigengewicht- zur wasserseite leicht geneigt gebaut
- betonbedarf dadurch reduziert
- zwischen pfeilern dichtung -> verformungen und verschiebungen zu berücksichtigen
- hydrostatische druck reduziert durch geringe breite (gegensatz gewichtsmauer)+#
- erhöhte anforderung an untergrnd , erosionsbeständigkeit , dichtigkeit
Zeichne kräfte an pfeilsteinmauer an !
siehe bild
Thermische beanspruchung von Staumauern
wodurch geschieht sie /konsequenzen
- chemische reaktion zwischen zement+ Beton --> hydrationswärme
- langsame Abkühlung führ zu spannung +verformungen
- große temperaturschwankungen ->risse
- gefährden stabilität bauwerk
- Durch unterschiedliche Temperaturen im Winter und im Sommer kommt es in einer Staumauer zu sehr komplexen Temperaturverhältnissen, die einen Jahresgang aufweisen.
Phasen der Temperaturentwicklung bei Talsperren
- Phase I: Temperatur bleibt konstant bei T0 vor Beginn des Abbindeprozesses
- Phase II: Die Hydratation des Betons bewirkt einen Anstieg der Temperatur. Aufgrund der Plastizität des Betons entstehen keine Spannungen.
- Phase III: Die Temperatur nimmt zu, dadurch will sich der Beton ausdehnen, dies wird behindert, wodurch Druckspannungen entstehen.
- Phase IV: Der Beton kühlt ab. Phase V: Aufgrund weiterer Abkühlung entstehen Zugspannungen. Hierdurch können Risse im Beton entstehen.
Untergrundabdichtung
warum /wofür /beispiel
Bei wasserdurchlässigem Untergrund kann es erforderlich sein, eine Untergrundabdichtung z.B. in Form eines Injektionsschleiers (Zementinjektion) einzubringen. Dadurch wird der Sickerweg verlängert und der hydraulische Gradient reduziert. Dies führt zu einer erhöhten Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch.
Wie können die Betriebseinrichtungen von Talsperren unterteilt werden
Sicherheit -> Entlastungsanlagen
Nutzung -> entnahmeanlagen
Entnahme anlagen
Woraus bestehen sie
aufgaben
Anforderungen
Aufgabe von Betriebsauslässen ist die Entnahme des Wassers für verschiedene Nutzungen (z.B. Trinkwasser, Bewässerung, Wasserkraft). Entnahmeanlagen bestehen aus dem Einlaufbauwerk, einem Transportbauwerk und einem Auslaufbauwerk.
Anforderungen an Entnahmeanlagen: -
Strömungsgünstige Ausbildung ohne instabile Strömungszustände
- Vermeidung von Kavitation und Schwingungen
- Schutz vor Treibgut (Einbau von Rechen)
- 2 unabhängige Verschlüsse je Auslass
- Bei längeren Rohrleitungen sind Rohrbruchsicherungen einzubauen
- ggf. sind hydr. Modellversuche zum Nachweis der Wirksamkeit und Wirkungsweise erforderlich.
Grundablässe
Anforderungen an Grundablässe:
- schadloser Unterwasserabfluss bei Vollstau und Einhaltung der (n-a)-Regell
- die Abgabe eines minimalen Abflusses muss auch bei Absenken des Absenkzieles möglich sein.
- Bei allen Beckenwasserständen muss eine angestrebte schnelle Absenkung unter Berücksichtigung der Standsicherheit des Absperrbauwerks und der Uferböschungen möglich sein.
- Grundablässe müssen ggf. für die Bauzeit auf Freispiegelabfluss bemessen werden.
- In der Regel müssen Talsperren über mindestens zwei unabhängige Grundablässe verfügen.
Typen von Verschlüssen
Schieber und Schütze: Bewegung des Verschlusses erfolgt senkrecht zur Strömung.
Ventile: Bewegung erfolgt parallel zur Strömungsrichtung
Klappen und Hähne: Der durchströmte Querschnitt wird durch eine DrehBewegung des Verschlusses variiert
welche Verschlüsse sind für Grundablässe und Triebwasserleitungen vorgesehen
Revisionsverschluss - Absperrverschluss - Regelverschlüsse
Revisonsverschlüsse
- Am anfang von leitungen
- eingesetzt bei Warungs /renovierungsarbeiten
-Gleit/rollschütze
Absperrverschlüsse
-planmäßiger verschluss von Druckleitung
-Absperrklappen
- durch fallgewichte gelschossen
Regelverschlüsse
Druchflussregelung im Druckrohr
- Zwischenstellung möglich
-ausreichende belüftung
Aufgabe Hochwasserentlastungsanlagen
+typen
-Abführung nicht speicherbares Hochwasser
Typen von Hochwasserentlastungsanlagen: - Überfälle mit und ohne Verschlüssen - verschließbare Öffnungen unterhalb des Stauziels in verschiedenen Höhen - überströmbare Dammbereiche
Hochwasserentlastungsanlagen an staudämmen
- erosionsgefahr ohne schutz der Dammkrone!
- Hangkanal mit Schussrinne und Tosbecken (große Abflussreserven)
- Turmbauwerke mit Einlauftrichter (geringe Abflussreserven)
Hangkanal
Hochwasserentlastung über Wehrschwelle --> schussrinne
schießenden-> strömender zustand
schussrinne
Die Schussrinne stellt das Transportbauwerk dar. Sie besitzt Neigungen zwischen 20° und 60° in Abhängigkeit der Hangtopographie und der Lage des Tosbeckens. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist die Betonoberfläche sehr sorgfältig zu bauen, um unerwünschte Kavitationserscheinungen zu vermeiden. Ein Versagen der Schussrinne kann die Sicherheit der gesamten Talsperre gefährden
Energieumwandlung bei Talsperren
-gleiche wie bei wehren
-getreppten gerinne -> energieabbau auf Mauerrücken
Stufenhöhe 0,3-1,2 m
Neigung 30-50
Grundsätzlich stellen sich zwei Fließzustände ein, die von der Überfallhöhe abhängen:
- Kaskadenströmung (nappe flow) = Abfluss über Kaskaden
- Gerinneströmung (skimming flow) = Abfluss über Makrorauheiten
Wieso müssen Talsperren betrieben werden ?
• Talsperrenabfluss Q [m³/s] schwankt – Bedarf an Trinkwasser und Elektrizität unterliegt anthropologisch bedingten Schwankungen. Kann bis zu einem bestimmten Maß vorhergesagt werden
• Talsperrenzufluss I [m³/s] schwankt – Zufluss unterliegt hydrologisch bedingten Schwankungen und kann nur für sehr kurze Zeiträume (wenige Stunden bzw. Tage) zuverlässig vorhergesagt werden
• Speicherkapazität S [m³] ist begrenzt
welche Betriebsarten gibt es für Talsperren?
• Normalbetrieb – Wasserstand im Speicher und Zufluss liegen im normalen Bereich
• Hochwasserbetrieb – Wasserstand im Speicher ist erhöht und Zufluss liegt oberhalb der mittleren Jahreswerte
• Reservebetrieb – Wasserstand im Speicher ist gering und Zuflusswerte liegen unterhalb der mittleren Jahreswerte
An welchen parrametern orrientiert sich der Talsperren Betrieb?
Die Art des Talsperrenbetriebs orientiert sich an den drei Parametern:
• Talsperrenzufluss I [m³/s]
• TalsperrenabflussQ [m³/s] •
Speicherinhalt der Talsperre ܵS [m³] bzw. Wasserstand in der Talsperre ݄ [m]
Die drei Größen stehen mathematisch in Verbindung über die sog. Speichergleichung: ds/dt = I-Q
→ Änderung des Speicherinhalts über die Zeit entspricht der Differenz von Talsperrenzufluss und –abfluss in diesem Zeitraum
Wodurch können Talsperren gesteuert werden?
Talsperren werden über eine Reihe von Betriebsanlagen gesteuert. Jede diese Anlagen übernimmt dabei eine bestimmte Betriebsfunktion. Anlagen können steuerbar oder nicht steuerbar ausgeführt werden.
• Grundablass (regulierbar) – Vollständiges Entleeren des Speicherraums z.B. für Sanierungsmaßnahmen
• Entnahmeeinrichtung (regulierbar) – Wasserentnahmen für die Trinkwasseraufbereitung oder den Kraftwerksbetrieb
• Hochwasserentlastungsanlage (regulierbar / nicht regulierbar) – Abführen von Hochwasserabflüssen
1. menschlich genutze regenerative Energiequelle
Wasserkraft stellt die älteste, menschlich genutzte regenerative Energiequelle dar!
Vorteile von Wasserkraft
Energetische Nutzung des Wasserkreislaufes
• kein CO2-Ausstoss
• keine zu entsorgenden Abfallprodukte
• hoher Wirkungsgrad (75% bis 90%) • hoher Erntefaktor (f = 57 bis 183)
• lange Lebensdauer
• ständige Verfügbarkeit
• einfache und bewährte Technologie
• niedrige Betriebskosten
• Energiespeichermöglichkeit
• Schnelles Anfahren und Abstellen
• Mehrzwecknutzung
• u.U. Verbesserung der ökologischen Verhältnisse
• keine Risike
Nachteile von Wasserkraft
relativ hohe Investitionssummen
• große Entfernungen zwischen Standort und Verbraucher
• Durchflussschwankungen
• Überstauung nutzbarer Flächen
• Ökologie
• Soziologische Effekte
• Störung des Geschiebehaushalts
• Störung des Wasserhaushalts
• Unterbrechung des Lebensraums für Wanderfische
Tagesstrombedarf
einfluss auf wasserkraft
Strombedarf schwankt über tag , woche monat
verschiedene Kraftwerke notwendig
- Grundlast (in D: thermische Kraftwerke, Kernkraftwerke und Laufwasserkraftwerke)
-die Mittellast (Steinkohlekraftwerke, Gaskraftwerke, Öl, Speicherwasserkraftwerke)
-die Spitzenlast (Gasturbinen, Speicherkraftwerke, Pumpspeicherwerke)
schnellste Anpassung an den Tagesbedarf liefern dabei Pumpspeicherwerke. Mit ihrer Hilfe kann der Strombedarf innerhalb weniger Sekunden durch Umschalten vom Pump- auf den Turbinenbetrieb sichergestellt werden
einteilung von Wasserkraftwerken nach fallhöhe
Für die Einteilung der Wasserkraftanlagen nach Typen wird häufig eine Unterteilung nach Fallhöhe vorgenommen:
• Hochdruckanlagen (h > 50m) Hierzu zählen Speicherkraftwerke wie Talsperrenkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke
• Mitteldruckanlagen (15m < h < 50m) Im Einsatz befinden sich sowohl Speicherkraftwerke wie Laufwasserkraftwerke
• Niederdruckanlagen (h < 15m) Hierzu zählen Laufwasserkraftwerke wie Flusskraftwerke und Ausleitungskraftwerke
Niederdruckanlagen
An vielen Wehren werden an Flüssen Wasserkraftanlagen zur Energiegewinnung gebaut.
Durch die Staufunktion des Wehres wird die potentielle Energiehöhe erhöht und kann zur Stromerzeugung genutzt werden. Gleichzeitig wird der Auslass ins Unterwasser sehr tief gelegt, um eine größere Fallhöhe zu erzielen und gleichzeitig den Auslass auch bei Niedrigwasserverhältnissen eingestaut zu lassen. Niederdruckanlagen befinden sich an Flüssen im Mittellauf und verfügen daher über höhere Abflüsse als Mitteldruck- oder Hochdruckanlag
Was ist ein Ausleitungskratwerk
Bei Ausleitungskraftwerken wird das Wasser vom Fluss weggeleitet. Hierdurch kann eine hohe Energiedichte genutzt werden, da große Fallhöhen erreicht werden können. Problematisch ist die Wasserentnahme aus dem Fluss, der dann häufig nur noch eine Pflichtwasserabgabe erhält.
Saugrohr
Das Saugrohr stellt den Bereich des Rohres zwischen Turbine und Unterwasser dar
. Im Saugrohr wird die hinter den Turbinen noch vorhandene kinetische Energie in mechanische Energie umgewandelt.
Dadurch können die kinetische Restenergie minimiert und die Nettofallhöhe maximiert werden
Was sind Hochdruck anlagen
- Fallhöhe über50 m
- abfluss im vergleich niedrieger
Eine typische Hochdruckanlage besteht aus
• Druckstollen
• Druckschacht
• Wasserschloss
• Kraftwerk
Was sind Pumpspeicher werke
- Umwälzwerke , wasser von unterbeken in oberbecken gepumpt und dann zur erzeugung von wasserkraft zurückgeleitet wird
- dient zur zwischenspeicherung von energie
- Aber es gibt energie Verluste
- gebaut nach dem 2 weltkireg weil man tags mehr energie brauche als nachts- jetzt nicht mehr so
- deale Möglichkeit zur kurzfristigen Bereitstellung von Spitzenenergie dar
- 1060 MW größtes in de
wassind wasserkraftmaschinen
Als Wasserkraftmaschinen werden Wasserräder, Wasserturbinen und Wasserpumpen bezeichnet. Gegenstand dieser Vorlesung sind Wasserturbinen.
Was sind wasserturbinen
- -bestehen aus leitvorrichtung und bewelglichem laufrad
- In den Leitschaufeln des Leitrades erhält das durchströmende Wasser eine gerichtete Geschwindigkeit. Durch das Leitrad gelangt das Wasser auf die darauf folgenden Laufschaufeln des Laufrades. Hier ändern sich der Betrag und die Richtung der gerichteten Geschwindigkeit. Dabei gibt das Wasser die potentielle Energie infolge Fallhöhe an das Laufrad weiter.
Was für turbinen gibt es
Kaplan-Turbine 2 bis 80m 100-350 1/min 4 bis 12 niederdruckanlage fallhöhe kleiner 15m
Francis-Turbine bis 600m 20 bis 140 1/min 12 bis 18 kleine fallhöhe größere abflussmenge mitteldruckanlage
Pelton-Turbine bis 2000m 1 bis 20 1/min 15 bis 40 große Fallhöhe , kleine durchflussmengen, Hochdruckanlage
welche turbinen sind überdruckanlagen
Francis kaplant
