Frage zu Wasserkraft

Irgendwie komm ich da nicht drauf.
Wenn Wasser von einer höheren Lage in eine tiefere fließt, gibt es Lageenergie ab.
Das Wasser bewegt sich, es fließt.
Wird nun ein Wasserkraftwerk zwischengeschaltet, gibt es Energie an die Turbine ab, Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt und fliesst ab.
Das heißt, das Wasser hat Bewegungsenergie abgegeben, mein erster Gedanke ist hier, daß es dann langsamer fließen sollte.
Das Problem ist nun, dass am Ende genauso viel Wasser ins Meer fließen muss, wie am Oberlauf des Flusses im Fluss vorhanden ist, und wenn das Wassser durch die Turbinen gebremst wird, müsste ja eine Überschwemmung entstehen.
Wenn also zur selben Zeit die Menge Wasser Von den Bergen ins Meer fließen muss wenn ein Wasserkraftwerk dazwischengeschaltet ist wie wenn keines dazwischengeschaltet ist, welche Energie wird dann dem Wasser entzogen um in elektrische Energie umgewandelt zu werden?
Selbst wenn man eine zusätzliche Turbine dazunimmt, um die Wasserdurflußmenge zu erhöhen, der Fluß dadurch breiter und langsamer wird, landet trotzdem am Ende dieselbe Menge Wasser im Meer, wie an der Quelle und durch Bäche oben eingespeist wird.
Wo ist also das Energiedefizit des Flusses, das in elektrische Energie umgewandelt wird und wie zeigt sich das gegenüber demselben hypothetischen Fluß ohne dieses Kraftwerkk, bei dem ja dieselbe Wassermenge in derselben Zeit denselben Weg zurücklegt.

flusskraftwerke werden nach meinem wissen mit einer staumauer versehen und es geht eher um die hoehendifferenz/druck als um fliessgeschwindigkeit.

Es gibt einen prinzipiellen Unterschied, ob kinetische oder potenzielle Energie des Wassers in eine andere Energieform umgewandelt wird. Beides ist möglich, und beides wird auch praktisch genutzt. Im einfachsten Fall kann man das beim klassischen Wasserrad sehen: Bei einem unterschlächtigen Wasserrad wird im wesentlichen die kinetische Energie des Wassers, bei einem oberschlächtigen Wasserrad wird im wesentlichen die potenzielle Energie des Wassers genutzt.

freitagabend schrieb:Das Problem ist nun, dass am Ende genauso viel Wasser ins Meer fließen muss, wie am Oberlauf des Flusses im Fluss vorhanden ist, und wenn das Wassser durch die Turbinen gebremst wird, müsste ja eine Überschwemmung entstehen.

Theoretisch ja, aber der Zulauf ist unterschiedlich und Staudämme haben meist Bypassschleusen.

Aber das Problem ist bekannt: bei wenig Zulauf wird gestaut und nach der Staustufe wird über Niedrigstand geächzt, bei zu viel Zulauf werden die Bypässe geöffnet und nach der Staustufe wird wegen Hochwassers gejammert.

In Österreich gab es bei einem Hochwasser Anfang der Nullerjahre sogar einen Prozess, weil bei einem Kraftwerk die Schleusen geöffnet wurden und unterhalb Land unter war. Die Elektrizitätsgesellschaft wurde freigesprochen. Es gab aber Entschädigungszahlungen, wie ich von einer betroffenen Tante erfahren habe. Für Eigenheimbesitzer war es eine Katastrophe, ein ehemaliger Nachbar von mir hat sein Haus verloren und sich das Leben genommen.

Ein praktisches Beispiel für den Fall des gleichmässigen Zuflusses: Stell Dir anstelle der Wassermoleküle Tennisbälle vor, die in grosser Höhe (sagen wir mal 100 m) in einer gering geneigten Rinne rollen. Die Neigung der Rinne sei gerade so gross, dass sie ausreicht, um die Bälle am Rollen zu halten. Die potenzielle Energie der Bälle ist dann relativ hoch (entsprechend 100 m Höhe), die kinetische Energie (aufgrund des langsamen Kullerns) ziemlich gering.

Am Ende der Rinne sei nun ein 100 m hoher Paternoster (das ist für das Tennisball-Beispiel günstiger als ein Rad) angebracht. Vom Ende der Rinne aus fallen die Bälle (über eine sehr kurze Strecke, d.h. ihre kinetische Energie bleibt gering) jeweils in einen Transportbehälter des Paternosters. Dort üben sie mit ihrem Gewicht eine Kraft auf den Paternoster aus, und setzen diesen in Bewegung.

Würden die Bälle am Ende der Rinne einfach runterfallen, würde ihre Fallgeschwindigkeit mit 9,81 m/s² zunehmen (Luftwiderstand aussen vor gelassen). Anstelle dessen müssen sie vom Paternoster soweit gebremst werden, dass ihre Fallgeschwindigkeit genau der Rollgeschwindigkeit der Bälle in der Rinne entspricht. Dieses "Bremsen" entspricht nutzbarer Energie, und kann z.B. dadurch erreicht werden, dass mit einer der Wellen des Paternosters ein Elektrogenerator angetrieben wird.

Am unteren Ende des Paternostes befinde sich eine weitere Rinne mit der gleichen Neigung wie die 100 m höhere Rinne. Die Bälle fallen vom Paternoster dort hinein, und rollen (mit genau der gleichen Geschwindigkeit wie die Bälle in der oberen Rinne) weiter ins grosse Tennisball-Meer. ;)

Das war die gewissermassen die oberschlächtige Variante. Wie man sieht, gibt es -- sofern alles korrekt abgestimmt ist -- trotz einer erheblichen Energieabgabe nirgends einen Stau.

Nun zur unterschlächtigen Variante. Die obere Rinne sei zur Vergleichbarkeit zunächst identisch wie bei der oberschlächtigen Variante (d.h. ebenfalls in 100 m Höhe mit der gleichen geringen Neigung). Am Ende dieser Rinne befinde sich nun eine steil (sagen wir mal 45°) nach unten geneigte Rinne. Die Tennisbälle rollen dort herunter, und ihre Geschwindigkeit nimmt dabei stark zu. Der Abstand der Bälle steigt dabei ebenfalls an, weil der Geschwindigkeitsunterschied immer grösser wird. Am unteren Ende der Rinne hat sich die 100 m Höhe entsprechende potenzielle Energie der Bälle (Verluste aussen vor gelassen) vollständig in kinetische Energie umgewandelt.

Dort befinde sich nun eine Art unterschlächtiges Wasserrad, wo die Bälle auf eine Platte treffen, und von dieser auf eine Geschwindigkeit von fast Null gebremst werden, d.h. praktisch ihre gesamte kinetische Energie abgeben. Dadurch stellt sich "automatisch" wieder der urspüngliche Abstand der Bälle her, wie er in der oberen Rinne war. Von dort können die Bälle nun wie bei der oberschlächtigen Variante in einer gering geneigten Rinne weiterrollen. Auch hier -- bei korrekter Abstimmung -- nirgends ein Stau.

Würde man die beiden Beispiele konkret durchrechnen, würde sich (unter idealiserten Bedingungen, u.a. ohne Berücksichtigung irgendwelcher Verluste) wegen gleicher Anfangs- und Endbedingungen genau die gleiche Ausgangsenergie ergeben.

Wirklich schön erklärt @uatu ,

aber wie ist das eigentlich mit den Windrädern? Die entziehen den Luftströmungen doch jede Menge Energie, allein in Deutschland knapp 100 TWh pro Jahr. Gut, das mag angesichts der Energien, die da unterwegs sind nicht sehr viel sein, aber steter Tropfen höhlt bekanntlich den Stein. Irgendwann einmal könnten wir damit womöglich jegliche atmosphärische Bewegung zum Erliegen bringen. Das wäre für uns als Bewohner des Meeresgrundes ( des Luftmeeres :D ) extrem unangenehm, vor allem im Sommer.

Ein weiterer Aspekt wären die Torsionskräfte, die auf die Erdkugel wirken. Die Vektoren der Luftströmungen auf der Nord- und der Südhalbkugel stehen antiparallel zueinander, und je mehr Windräder gebaut werden, desto größer werden die Torsionskräfte. Derzeit stehen die meisten Windräder ja noch auf der Nordhalbkugel, was im wesentlichen nur eine Beschleunigung der Erdrotation zur Folge hat, aber wenn die im Süden nachziehen, dann hätte das enorme Auswirkungen auf die Plattentektonik. Was viele nämlich nicht wissen, das kritische Torsionsmoment der Kontinentaldrift, ist wegen des geringeren Erdkrustenquerschniits und des hohen Schubflusses am Äquator viel geringer als vermutet. Bereits wenige Windparks mehr, könnten dafür sorgen, dass Afrika das neue Südamerika wird, und die Chinesen demnächst Fussballeuropameister werden :D

Peter0167 schrieb:Irgendwann einmal könnten wir damit womöglich jegliche atmosphärische Bewegung zum Erliegen bringen.

Durch Windräder? Soll wohl ein Witz sein. Was ist mit Bäumen, Gebäuden oder anderen Hindernissen? Selbst wenn wir es wollten könnten wir das nicht.

@uatu
Danke für deine schöne, anschauliche Erklärung! Du wärst bestimmt ein guter Lehrer.

Celladoor schrieb:Soll wohl ein Witz sein. Was ist mit Bäumen, Gebäuden oder anderen Hindernissen?

Es ist garantiert auch mit Humor zu nehmen. Zumindest wenn man es in Relation zu den anderen, ziemlich guten, Beiträgen des Users setzt :D
Aber allzu abwegig ist der Grundgedanke trotzdem nicht: In größeren Windparkanlagen haben die hinteren und mittleren Turbinen bei gleicher Bauart tatsächlich eine geringere Stromausbeute.

@freitagabend
Ich denke uatu hat es schon ziemlich gut auf den Punkt gebracht. Ergänzend könnte man noch sagen, dass die Energieausbeute bei einem Wasserkraftwerk, was allein auf der Fließgeschwindigkeit eines Flusses beruht in der Regel nicht wirklich groß ist. Kraftwerke die die Höhendifferenz ausnutzen sind da bei weitem effektiver (auch wenn es letzten Endes wieder auf schnelles Wasser, welches durch die Turbine strömt hinaus läuft).

@freitagabend
Es wurde hier alles schön erklärt. 10m Wassersäule ergibt gerundet ein Bar Druck. Es ist der Wasserdruck welcher auf die Turbinen tritt. Der Wasserdruck reduziert sich, nachdem es durch die Turbinen durch ist. Dort wandelt sich sich kinetische Energie in Elektrizität. Das Wasser hat danach immer noch genug Energie um in den See oder ins Meer zu fliessen, weil die Lage wo die Turbinen stehen höher steht wie der Seespiegel.

Das andere wurde auch gesagt, Wasser wird im Staudamm gestaut, da kommt nicht immer gleich viel unten an, das lässt sich regulieren. Fliesst mehr in den Staudamm, als unten raus gehen kann, würde der Damm irgendwann überlaufen. Damit das nicht passiert, gibt es Schleusen welche notfalls geöffnet werden können, Wasser das an zusätzlich abfliesst, den Turbinen vorbei geht..das ist dann natürlich verpuffte, verlorene Energie die nicht 'verstromt' wird.

@freitagabend
Was anderes. Der 'hydraulische Widder' ist ein gutes Kopfbeispiel. Warum wird da Wasser ohne externe Energiezuführung hoch gepumpt? Der Widder wurde auch schon von der freien Energieszene missbraucht. Freie Energie die 400. (Seite 5)

freitagabend schrieb:Das Problem ist nun, dass am Ende genauso viel Wasser ins Meer fließen muss, wie am Oberlauf des Flusses im Fluss vorhanden ist, und wenn das Wassser durch die Turbinen gebremst wird, müsste ja eine Überschwemmung entstehen.
Wenn also zur selben Zeit die Menge Wasser Von den Bergen ins Meer fließen muss wenn ein Wasserkraftwerk dazwischengeschaltet ist wie wenn keines dazwischengeschaltet ist, welche Energie wird dann dem Wasser entzogen um in elektrische Energie umgewandelt zu werden?

Die meisten Punkte wurden hier ja schon gut und sehr anschaulich erklärt, aber ich picke mir mal diesen Punkt hier raus. Ein Wasserkraft nutzt ja lediglich bestehende Höhenunterschiede aus und anstelle, dass das Wasser von der Fassung bis zum Kraftwerk nun über ein natürliches Gerinne abfliesst, wird das entweder in einem Stollen oder über eine Druckleitung (oder eine Kombination davon) der Turbine zugeführt. Während in einem natürlichen Gerinne die ursprünglich vorhandene Lageenergie kontinuierlich in Wärme und Schall umgewandelt wird, gibt es bei einer Druckleitung kaum Verluste, das heisst, in der Druckleitung vor der Turbine herrscht ein "Überdruck", den man dann energetisch nutzen kann.

Bei einer Peltonturbine wird mit einer Düse das Wasser dann mit hoher Geschwindigkeit auf die einzelnen Schaufeln gelenkt, wo das Wasser dann anschliessend noch stark umgelenkt wird, um die kinetische Energie möglichst vollständig zu nutzen. Damit wird bei guten Anlagen ein Turbinenwirkungsgrad bis zu 90% erzielt. Mit Francis- oder Kaplanturbinen wird hingegen eher der Druck ausgenutzt, das Wasser strömt im Gegensatz zur Peltonturbine nicht mit grosser Geschwindigkeit auf die Schaufeln.

Und dass es hinter der Turbine dann keinen "Stau" gibt, das liegt daran, dass für den Abfluss des Wassers nach dem Kraftwerk das bestehende, natürliche Gefälle ausgenützt wird.

Emodul

@Peter0167

Peter0167 schrieb: Was viele nämlich nicht wissen, das kritische Torsionsmoment der Kontinentaldrift, ist wegen des geringeren Erdkrustenquerschniits und des hohen Schubflusses am Äquator viel geringer als vermutet. Bereits wenige Windparks mehr, könnten dafür sorgen, dass Afrika das neue Südamerika wird, und die Chinesen demnächst Fussballeuropameister werden

Sorry, aber das is totaler BS was du hier schreibst, die Chinesen haben viel zu wenig Ahnung vom Fussball, auf dass sie jemals Europameister werden könnten. :D

mfg
kuno

Vielen Dank für die ganzen klasse Antworten, ganz besonders @uatu mit den Tennisbällen, sehr anschaulich und nachvollziehbar erklärt.
Ich wollte übrigens nicht auf irgendetwas spezielles hinaus (freie Energie oder so), das war nur zur Befriedigung von Neugier, da ich mir diese Frage nicht beantworten konnte.
THX @all