HYDRAULIKKRAFT: EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONSWEISE, VORTEILE, VERWENDUNG - UMGEBUNG - 2025

Die hydraulische Kraft ist die Fähigkeit von Wasser, Arbeit in Form von Bewegung, Licht und Wärme basierend auf ihrem Potential und ihrer kinetischen Energie zu erzeugen. Es gilt auch als saubere, leistungsstarke erneuerbare Energie.

Diese Energie wird durch die Strömung, die Ungleichmäßigkeit zwischen den Punkten auf dem Boden, durch die sich das Wasser bewegt, und die Schwerkraft bestimmt. Es wird seit der Antike von Menschen verwendet, um verschiedene Arbeiten auszuführen.

Itaipú Dam (Brasilien und Paraguay). Quelle: Angelo Leithold

Eine der ersten Anwendungen von hydraulischer Energie war der Antrieb von Wassermühlen, die die Leistung des Stroms nutzten. Auf diese Weise konnten Mühlsteine ​​mittels Zahnrädern zum Dreschen von Weizen bewegt werden.

Derzeit ist die wichtigste Anwendung die Erzeugung elektrischer Energie durch Wasserkraftwerke oder Wasserkraftwerke. Diese Anlagen bestehen im Wesentlichen aus einem Damm und einem System von Turbinen und Lichtmaschinen.

Das Wasser sammelt sich im Damm zwischen zwei Ebenen des Kanals (geodätische Ungleichmäßigkeit) und erzeugt potentielle Gravitationsenergie. Anschließend aktiviert der Wasserstrom (kinetische Energie) Turbinen, die die Energie an Lichtmaschinen übertragen, um elektrische Energie zu erzeugen.

Zu den Vorteilen der hydraulischen Energie gehört, dass sie im Gegensatz zu anderen Energiequellen erneuerbar und umweltfreundlich ist. Andererseits ist es mit einer Ausbeute zwischen 90 und 95% hocheffizient.

Die Umweltauswirkungen von Wasserkraftwerken sind mit Temperaturschwankungen und physikalischen Veränderungen des Wasserlaufs verbunden. Ebenso entstehen Altöle und -fette, die aus den Maschinen gefiltert werden.

Sein Hauptnachteil ist die physische Veränderung, die sie durch die Überflutung großer Landflächen verursacht, und die natürliche Strömung und der Flusslauf werden verändert.

Das größte Wasserkraftwerk der Welt ist The Three Gorges in China am Jangtse. Die beiden anderen wichtigen sind die von Itaipú an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay und das Wasserkraftwerk Simón Bolívar oder Guri in Venezuela.

Eigenschaften

Die Quelle der hydraulischen Energie ist Wasser und es wird als erneuerbare Energie angesehen, solange der Wasserkreislauf nicht verändert wird. Ebenso kann es Arbeit produzieren, ohne feste Abfälle oder umweltschädliche Gase zu erzeugen, und wird daher als saubere Energie betrachtet.

Performance

Energieeffizienz bezieht sich auf die Beziehung zwischen der in einem Prozess gewonnenen Energiemenge und der Energie, die erforderlich war, um in ihn zu investieren. Bei hydraulischer Energie wird je nach Wassergeschwindigkeit und verwendetem Turbinensystem eine Leistung zwischen 90 und 95% erreicht.

Wie funktioniert Wasserkraft?

Schema eines Wasserkraftwerks. Quelle: Benutzer: Tomia

Umwandlung von Sonnenenergie in kinetische Energie

Die Grundlage der hydraulischen Energie liegt in der Sonnenenergie, der Topographie des Landes und der Schwerkraft der Erde. Im Wasserkreislauf verdunstet Sonnenenergie und das Wasser kondensiert und fällt auf der Erde aus.

Aufgrund des unebenen Bodens und der Schwerkraft treten Oberflächenwasserströme auf der Erdoberfläche auf. Auf diese Weise wird Sonnenenergie aufgrund der Bewegung von Wasser durch die kombinierte Wirkung von Unebenheiten und Schwerkraft in kinetische Energie umgewandelt.

Später kann die kinetische Energie von Wasser in mechanische Energie umgewandelt werden, die arbeitsfähig ist. Beispielsweise können Schaufeln bewegt werden, die die Bewegung auf ein Zahnradsystem übertragen, das verschiedene Geräte bedienen kann.

Die Größe der hydraulischen Energie ergibt sich aus der Ungleichmäßigkeit zwischen zwei gegebenen Punkten des Flussbettes und seiner Strömung. Je größer die Unebenheiten des Landes sind, desto größer ist das Potenzial und die kinetische Energie des Wassers sowie seine Fähigkeit, Arbeit zu erzeugen.

In diesem Sinne ist potentielle Energie diejenige, die sich in einem Gewässer ansammelt und mit seiner Höhe relativ zum Boden zusammenhängt. Andererseits ist kinetische Energie diejenige, die Wasser in seiner fallenden Bewegung als Funktion der Topographie und der Schwerkraft freisetzt.

Stromerzeugung aus Wasserkraft (Wasserkraft)

Die durch fallendes Wasser erzeugte kinetische Energie kann zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Dies wird durch den Bau von Dämmen erreicht, in denen sich Wasser ansammelt und auf verschiedenen Höhen gehalten wird.

Somit ist die potentielle Energie von Wasser direkt proportional zur Niveaudifferenz zwischen einem Punkt und einem anderen und wenn das Wasser fällt, wird es in kinetische Energie umgewandelt. Anschließend passiert das Wasser ein System rotierender Schaufeln und erzeugt kinetische Rotationsenergie.

Die Drehbewegung ermöglicht bewegliche Getriebesysteme, die mechanische Systeme wie Mühlen, Räder oder Lichtmaschinen aktivieren können. Im speziellen Fall der Wasserkrafterzeugung benötigt das System ein Turbinensystem und eine Lichtmaschine zur Stromerzeugung.

Turbinen

Die Turbine besteht aus einer horizontalen oder vertikalen Achse mit einem Schaufelsystem, das die Achse durch die Kraft des Wassers dreht.

Es gibt drei Grundtypen von Hydraulikturbinen:

Peltonturbine

Peltonturbine. Quelle: Robertk9410

Es ist eine Hochdruck-Impulsturbine mit einer horizontalen Achse, die arbeitet, ohne vollständig untergetaucht zu sein. Das Laufrad hat eine Reihe von konkaven Schaufeln (Schaufeln oder Zähne), die von Wasserstrahlen angetrieben werden.

Je mehr Wasserstrahlen auf die Turbine treffen, desto mehr Strom wird erzeugt. Dieser Turbinentyp wird für Wasserfälle mit einer Höhe von 25 bis 200 Metern verwendet und erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 90%.

Francis Turbine

Francis Turbine. Quelle: Der ursprüngliche Uploader war Stahlkocher bei der deutschen Wikipedia.

Es handelt sich um eine Mitteldruck-Reaktionsturbine mit vertikaler Achse, die vollständig in Wasser getaucht arbeitet. Das Laufrad besteht aus Schaufeln, die vom Wasser angetrieben werden, das durch einen Verteiler geleitet wird.

Es kann in Wasserfällen von 20 bis 200 Metern Höhe eingesetzt werden und erreicht einen Wirkungsgrad von 90%. Dies ist der Turbinentyp, der weltweit am häufigsten in großen Wasserkraftwerken eingesetzt wird.

Kaplan-Turbine

Kaplan-Turbine. Quelle: TheRunnerUp

Es ist eine Variante der Francis-Turbine und hat wie diese eine vertikale Achse, aber das Laufrad besteht aus einer Reihe lenkbarer Schaufeln. Es reagiert unter hohem Druck und arbeitet vollständig in Wasser getaucht.

Die Kaplan-Turbine wird in Wasserfällen mit einer Höhe von 5 bis 20 Metern eingesetzt und kann einen Wirkungsgrad von bis zu 95% erreichen.

Generator

Die Lichtmaschine ist ein Gerät, das mechanische Energie durch elektromagnetische Induktion in elektrische Energie umwandeln kann. Somit werden Magnetpole (Induktor) innerhalb einer Spule mit alternierenden Polen aus leitendem Material (zum Beispiel in Weicheisen gewickeltem Kupfer) gedreht.

Sein Betrieb basiert auf der Tatsache, dass ein Leiter, der für eine bestimmte Zeit einem variablen Magnetfeld ausgesetzt ist, eine elektrische Spannung erzeugt.

Vorteil

Hydraulikkraft ist weit verbreitet, weil sie viele positive Aspekte hat. Unter diesen können wir hervorheben:

Es ist wirtschaftlich

Obwohl bei Wasserkraftwerken die Anfangsinvestition hoch ist, handelt es sich im Allgemeinen langfristig um billige Energie. Dies liegt an der Stabilität und den geringen Wartungskosten.

Darüber hinaus muss der wirtschaftliche Ausgleich durch Stauseen mit Möglichkeiten für Aquakultur, Wassersport und Tourismus hinzugefügt werden.

Es ist erneuerbar

Da es auf dem Wasserkreislauf basiert, ist es eine erneuerbare und kontinuierliche Energiequelle. Dies bedeutet, dass es im Gegensatz zur Energie aus fossilen Brennstoffen nicht rechtzeitig zur Neige geht.

Ihre Kontinuität hängt jedoch davon ab, dass der Wasserkreislauf in einer bestimmten Region oder global nicht verändert wird.

Hochleistung

Hydraulische Energie wird als sehr effizient und mit einer hohen Leistung zwischen 90 und 95% angesehen.

Es ist nicht umweltschädlich

Diese Art von Energie nutzt eine natürliche Quelle wie Wasser und erzeugt auch keine Abfälle oder Schadgase. Daher sind seine Auswirkungen auf die Umwelt gering und es wird als eine Form sauberer Energie angesehen.

Vorhandensein von Stauseen

In den Fällen, in denen Stauseen für die Nutzung von Wasserkraft gebaut werden, bieten diese eine Reihe zusätzlicher Vorteile:

- Sie ermöglichen es, den Flussfluss zu regulieren und Überschwemmungen zu vermeiden.
- Sie stellen ein Wasserreservoir für den menschlichen Gebrauch, die Bewässerung und den industriellen Gebrauch dar.
- Sie können als Erholungsgebiete und für die Ausübung von Wassersport genutzt werden.

Nachteile

Abhängigkeit vom Niederschlag

Eine Einschränkung der Wasserkrafterzeugung ist ihre Abhängigkeit vom Niederschlagsregime. Daher kann in besonders trockenen Jahren die Wasserversorgung drastisch abnehmen und der Reservoirstand wird gesenkt.

Wenn der Wasserdurchfluss verringert wird, ist die Erzeugung elektrischer Energie geringer. So, dass in Regionen, die stark von Wasserkraft abhängig sind, Probleme auftreten können.

Änderung des natürlichen Flusslaufs

Der Bau eines Staudamms in einem Fluss verändert seinen natürlichen Verlauf, sein Hochwasserregime, das Schwinden (Abnahme des Durchflusses) und den Sedimentschleppprozess. Daher treten Veränderungen in der Biologie von Pflanzen und Tieren auf, die aquatisch sind oder sich in der Nähe des Gewässers befinden.

Andererseits verändert die Rückhaltung von Sedimenten im Damm die Bildung von Deltas an der Flussmündung und verändert die Bodenbedingungen.

Dammbruchgefahr

Aufgrund des großen Wasservolumens, das in einigen Staudämmen gespeichert ist, kann ein Bruch der Stützmauer oder nahegelegener Hänge zu schweren Unfällen führen. Zum Beispiel kam es im Jahr 1963 in Italien zu einem Hang des Vajont-Staudamms (der heute nicht mehr genutzt wird), bei dem 2.000 Menschen starben.

Anwendungen

Riesenräder und Wasserpumpen

Durch die Drehung eines Rades, das durch die kinetische Energie des Wassers angetrieben wird, kann Wasser aus einem flachen Brunnen oder Kanal in einen erhöhten Kanal oder ein Reservoir gezogen werden. Ebenso kann die vom Rad erzeugte mechanische Energie eine Hydraulikpumpe antreiben.

Das einfachste Modell besteht aus einem Rad mit Schaufeln mit Schalen, die das Wasser sammeln, während sie von der Strömung angetrieben werden. Dann lassen sie in ihrer Rotation das Wasser in einen Tank oder Kanal fallen.

Mühlen

Über 2000 Jahre lang verwendeten die Griechen und Römer hydraulische Energie, um Mühlen zum Mahlen von Getreide zu bewegen. Das Drehen des Rades, das vom Wasserstrom angetrieben wird, aktiviert Zahnräder, die den Mühlstein drehen.

Schmieden

Eine andere alte Anwendung der auf hydraulischer Kraft basierenden Arbeitsfähigkeit ist die Verwendung zur Aktivierung des Schmiedebalgs bei Schmiede- und Metallurgiearbeiten.

Hydraulikbruch

Im Bergbau und im Öl wird die kinetische Energie des Wassers genutzt, um Gestein zu erodieren, zu brechen und die Gewinnung verschiedener Mineralien zu erleichtern. Dazu werden gigantische Druckwasserwerfer eingesetzt, die auf das Substrat treffen, bis es es erodiert.

Dies ist eine zerstörerische Technik für den Boden und eine starke Verschmutzung der Wasserstraßen.

Fracking

Eine sehr kontroverse Technik, die in der Ölindustrie an Dynamik gewinnt, ist das Fracking. Es besteht darin, die Porosität des öl- und gashaltigen Grundgesteins zu erhöhen, um dessen Entfernung zu erleichtern.

Dies wird erreicht, indem große Mengen Wasser und Sand bei hohen Drücken zusammen mit einer Reihe chemischer Additive injiziert werden. Die Technik wurde wegen ihres hohen Wasserverbrauchs in Frage gestellt, der Böden und Gewässer verschmutzt und geologische Veränderungen verursacht.

Wasserkraftwerke

Die gebräuchlichste moderne Verwendung ist der Betrieb von Stromerzeugungsanlagen, sogenannten Wasserkraftwerken oder Wasserkraftwerken.

Beispiele für Wasserkraftwerke

Die drei Schluchten

Drei-Schluchten-Damm (China). Quelle: Le Grand PortageDerivative Arbeit: Rehman

Das Drei-Schluchten-Wasserkraftwerk befindet sich in der chinesischen Provinz Hubei am Lauf des Jangtse. Der Bau dieses Staudamms begann 1994 und wurde 2010 abgeschlossen. Er erreichte eine Überschwemmungsfläche von 1.045 km² und eine installierte Leistung von 22.500 MW (Megawatt).

Die Anlage umfasst 34 Francis-Turbinen (32 von 700 MW und zwei von 50 MW) mit einer jährlichen Stromerzeugung von 80,8 GWh. Es ist das größte Wasserkraftwerk der Welt in Bezug auf Struktur und installierte Leistung.

Der Drei-Schluchten-Damm hat es geschafft, die periodischen Überschwemmungen des Flusses zu kontrollieren, die der Bevölkerung ernsthaften Schaden zufügten. Es garantiert auch die Stromversorgung der Region.

Der Bau hatte jedoch einige negative Folgen, wie die Vertreibung von rund 2 Millionen Menschen. Darüber hinaus trug es zum Aussterben des vom Aussterben bedrohten chinesischen Flussdelfins (Lipotes vexillifer) bei.

Itaipu

Itaipu Dam. Quelle: Herr Stahlhoefer

Das Wasserkraftwerk Itaipú liegt an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay am Lauf des Flusses Paraná. Der Bau begann 1970 und endete 1984, 1991 und 2003 in drei Schritten.

Die überflutete Fläche des Damms beträgt 1.350 km² und hat eine installierte Leistung von 14.000 MW. Die Anlage umfasst 20 Francis-Turbinen mit jeweils 700 MW und einer jährlichen Stromerzeugung von 94,7 GWh.

Itaipu gilt hinsichtlich der Energieerzeugung als das größte Wasserkraftwerk der Welt. Es trägt 16% zum Stromverbrauch in Brasilien und 76% in Paraguay bei.

In Bezug auf seine negativen Auswirkungen wirkte sich dieser Damm auf die Ökologie der Inseln und das Delta des Flusses Paraná aus.

Simon Bolivar (Guri)

Wasserkraftwerk Simón Bolívar (Gurí, Venezuela). Quelle: Warairarepano & Guaicaipuro

Das Wasserkraftwerk Simón Bolívar, auch als Guri-Damm bekannt, befindet sich in Venezuela am Lauf des Flusses Caroní. Der Bau des Damms begann 1957, eine erste Phase wurde 1978 abgeschlossen und 1986 abgeschlossen.

Der Guri-Damm hat eine überflutete Fläche von 4.250 km² und eine installierte Leistung von 10.200 MW. Die Anlage umfasst 21 Francis-Turbinen (10 von 730 MW, 4 von 180 MW, 3 von 400 MW, 3 von 225 MW und eine von 340 MW).

Die jährliche Produktion beträgt 46 GWh und gilt hinsichtlich Struktur und installierter Leistung als drittgrößtes Wasserkraftwerk der Welt. Das Wasserkraftwerk liefert 80% der elektrischen Energie, die Venezuela verbraucht, und ein Teil davon wird nach Brasilien verkauft.

Während des Baus dieses Wasserkraftwerks wurden große Gebiete von Ökosystemen im venezolanischen Guayana überflutet, einer Region mit hoher biologischer Vielfalt.

Aufgrund der tiefen Wirtschaftskrise in Venezuela wurde heute die Produktionskapazität dieses Werks erheblich reduziert.

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