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Wasser zu Strom

10. Mai 2011

Düsseldorf, den 10.05.2011 – Im Jahr 2010 erzeugten 7.500 Wasserkraftwerke in Deutschland ca. 21 Milliarden Kilowattstunden Strom. Dies entspricht einem Anteil von 3,4 Prozent an der Stromerzeugung. Zum Vergleich: In Norwegen hat Strom aus Wasserkraft einen Anteil von 98,5 Prozent, in Österreich 56,6 Prozent. Durch Nutzung der Wasserkraft in Deutschland wurden im Jahr 2010 rund 22,6 Millionen Tonnen CO2-Emissionen vermieden. Ohne Hochleistungsstähle in Turbinen, Generatoren und Transformatoren wäre dies nicht möglich.

Für Bundesumweltminister Norbert Röttgen ist klar: „Die erneuerbaren Energien bergen ein enormes Potenzial für eine sichere und saubere Energieversorgung, für Klimaschutz und Zukunftsmärkte.“ Hierzu zählt auch die Wasserkraft. Seit etwa 5000 Jahren nutzen Menschen die Wasserkraft, z. B. mit Schöpfrädern zur Bewässerung von Feldern. Mit Wasserrädern wurden Mühlen, Sägen und Hammerwerke direkt angetrieben. Ende des 18. Jahrhunderts setzten mehr als 100 verschiedene Gewerbe die Wasserkraft als Antrieb ein. Im Jahr 1866 erfand Werner von Siemens den elektrodynamischen Generator. 30 Jahre später nahm das erste Großkraftwerk der Welt an den amerikanischen Niagarafällen seine Arbeit auf. In Deutschland sind heute 7.500 Anlagen installiert.

Wasserkraft zu Strom

Die Umwandlung der im fließenden Wasser enthaltenen Energie zur Erzeugung von Rotationsenergie erfolgt in Turbinen. Je nach Fallhöhe und Durchflussmengen werden unterschiedliche Typen eingesetzt. Bei niedrigen Fallhöhen und großen Wassermengen, wie sie beispielsweise in Staustufen von Flüssen gegeben sind, arbeiten so genannte Kaplan-Turbinen. Ihre Laufräder gleichen Schiffspropellern und haben Durchmesser bis über 8 Meter, die schwersten wiegen bis zu 1300 Tonnen. Der Wirkungsgrad der Kaplan-Turbinen ist sehr hoch und erreicht 95 Prozent.

„Francis-Turbinen“ werden bei Fallhöhen bis 500 Meter gewählt. In ihnen lenkt ein feststehendes Leitrad Wasser auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades. Diese weisen einen Durchmesser bis zu 7 Meter und ein Gewicht von bis zu 200 Tonnen auf. Der Wirkungsgrad dieser Turbinen übersteigt 90 Prozent.

Im Hochgebirge betragen die Fallhöhen bis zu 1800 Meter. Hier werden „Pelton-Turbinen“ installiert, die moderne Interpretation des Mühlrades. Aus bis zu sechs Düsen spritzt das Wasser auf die becherförmigen Schaufeln des Laufrades, das einen Durchmesser bis 3 Meter und ein Gewicht bis 15 Tonnen haben kann. Auch diese Turbinen erreichen Wirkungsgrade bis 90 Prozent.

Die Laufräder der Turbinen werden extrem belastet. Im Wasser mitgeführte Sedimente und andere feste Stoffe sowie Schläge durch Druckänderungen greifen die Oberflächen an. Gehärtete Stähle halten diesen Belastungen stand und sind deshalb für die Konstrukteure Werkstoffe der Wahl.

Alles dreht sich um Stahl

Die Rotationsenergie der Turbine treibt die Generatoren an, in denen die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Im Inneren des Generators nehmen genutete Blechpakete in Rotor und Stator die Wicklungen auf, in denen der Strom erzeugt wird. Zur Vermeidung von Wirbelströmen ist der Stator aus vielen einzelnen voneinander isolierten Blechlamellen aufgebaut. Die hierfür eingesetzten nicht kornorientierten Elektrobleche, so genannte Dynamo- oder Motorenbleche, ermöglichen Wirkungsgrade über 95 Prozent.

Um Leitungsverluste zu minimieren, muss der erzeugte Strom umgespannt werden. Dort werden Transformatoren genutzt, die mit kornorientierten, so genannten Transformatorenblechen Wirkungsgrade über 99 Prozent erreichen. Der Kern des Transformators besteht auch hier aus dünnen Blechen, um Wirbelströme zu vermeiden.

Idealer Energiespeicher

Strom wird über den Tag nicht kontinuierlich verbraucht, auf Lastspitzen folgen Zeiten mit geringer Auslastung. Es wird nach Wegen gesucht, Strom in solchen Zeiten zu speichern. Aufgrund der hohen Turbinenwirkungsgrade bieten sich hierfür Pumpspeicherwerke an, bei denen in Zeiten geringer Auslastung die Turbinen als Pumpen arbeiten und Wasser aus einem niedrigen in einen höher gelegenen See gepumpt wird. Steigt die Auslastung, werden die Ventile geöffnet und das zurückströmende Wasser erzeugt in Turbinen und Generatoren wieder Strom.

Im Gebirge lässt sich solch ein Pumpspeicherwerk leicht errichten. Aber wie soll das im Flachland funktionieren? Geprüft wird beispielsweise die Idee, am Fuß und auf dem Kopf einer Bergehalde, von denen viele im flachen Ruhrgebiet zu finden sind, große Wasserbecken für diesen Zweck zu bauen.

Da es heute sehr schwer ist, solche Großprojekte auch bei Beachtung ökologischer Auflagen gegen regionale Interessen durchzusetzen, wird überlegt, das in Deutschland vorhandene, etwa 2000 Kilometer lange Kanalnetz der Binnenschifffahrt als Wasserspeicher zu nutzen: So müssten nur die in den Schleusen vorhandenen Pumpen umgebaut werden, damit sie in Zeiten niedrigen Stromverbrauchs Wasser aus dem tiefer gelegenen Kanalteil in die obere Ebene pumpen könnten.

Leistungssteigerung durch Modernisierung

Mit Wasserkraft lässt sich auf sauberem Weg Strom erzeugen. In vielen Teilen der Erde setzen Ingenieure und Politiker deshalb gern auf diese Art der Energieerzeugung. Sind die Komponenten der Anlage hergestellt und installiert, fallen keine weiteren Emissionen an. Wo Komponenten hoch belastet sind, werden sie aus Stahl gefertigt. Das steigert die Lebensdauer und senkt den Aufwand für den Unterhalt der Anlage.

Bis Ende 2020 soll die Leistung deutscher Wasserkraftwerke auf 6,5 Gigawatt zunehmen. Zu diesem Zweck sollen stillgelegte Anlagen mit moderner Technik wieder in Betrieb genommen und alte Wasserkraftwerke, von denen viele über 50 Jahre alt sind, modernisiert werden. Allein die Modernisierung alter Wasserkraftwerke bringt 220 Megawatt zusätzliche Leistung. Insgesamt sollen dann im Jahr 2020 etwa 32 Milliarden Kilowattstunden Strom aus Wasserkraft erzeugt werden. Stahl in Turbinen, Generatoren und Transformatoren ist immer dabei.

Rückfragen

Horst Woeckner
Fon + 49 211 6707-849 horst.woeckner@stahl-zentrum.de