Aufgabe 2 - Kraftwerke und Energieversorgung · Abitur NRW Technik GK · Haupttermin 2022

Aufgabenstellung: Optimierung eines Laufwasserkraftwerks am Hochrhein

Rheinfelden beherbergt das älteste Laufwasserkraftwerk Europas. Die alte Anlage entstand 1898 und erzeugt seither regenerativ elektrische Energie. 2010 wurde die neue Anlage mit 4 Turbinen sowie einer zusätzlichen Dotierturbine in Betrieb genommen. Analysieren Sie beide Kraftwerke in den folgenden Teilaufgaben.

M 1: Schematische Darstellung eines Laufwasserkraftwerks

M 2: Beschreibung des Kraftwerksstandortes

Im Jahr 1884 erteilte der Schweizer Kanton Aargau und im Jahr 1895 das Herzogtum Baden den Kraftwerksbetreibern die Erlaubnis zum Betrieb eines Wasserkraftwerks in Rheinfelden am Hochrhein. Im Jahr 1898 begann das Kraftwerk mit der Stromlieferung ins Netz. Damals war dieses Kraftwerk die größte europäische Wasserkraftanlage zur Elektrizitätsgewinnung. Die Genehmigung für eine Laufzeit von 90 Jahren wurde im Jahr 1989 für weitere 80 Jahre erweitert. Dies erfolgte unter der Auflage, dass ein neues Kraftwerk mit einer höheren Leistung gebaut werden sollte.

Im Sommer 2003 wurde mit dem Neubau des Wasserkraftwerks begonnen. Nachdem 2010 der erste Strom ins Netz geliefert wurde, folgte 2011 die offizielle Einweihung.

Die Flusslandschaft wurde durch ökologische Ausgleichsmaßnahmen im natürlichen Zustand erhalten. Dadurch entstanden naturnahe Fischaufstiege und Laichgewässer. Die Dotierturbine erzeugt dabei eine Strömung, die die Fische in den Aufstieg leitet.

M 3: Technische Daten des alten Wasserkraftwerks

Baujahr · 1898

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks · $600\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 4{,}2\text{ m}$

Turbinen (20 Stück, nicht baugleich) · 8 Kaplan-Turbinen

6 Propeller-Turbinen

6 Francis-Turbinen

Generatoren · 8 Drehstromgeneratoren ($6800\text{ V}$, $50\text{ Hz}$)

12 Gleichstromgeneratoren ($100\text{ V}$ bis $1800\text{ V}$)

elektrische Nennleistung · $25{,}7\text{ MW}$

mittlere Jahresarbeit · $185\text{ Mio. kWh}$

M 4: Technische Daten des neuen Wasserkraftwerks

Einweihung · 2010

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks durch die Kaplan-Turbinen · $1500\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 9{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

Turbinen (4 Stück, baugleich) · 4 doppelt regulierte Kaplan-Turbinen mit jeweils $28{,}5\text{ MW}$ Bruttoleistung

Dotierturbine · 1 Dotierturbine mit $2{,}28\text{ MW}$ Bruttoleistung

Generatoren · 4 Drehstromgeneratoren

Wirkungsgrad $\eta = 0{,}98$

elektrische Nettoleistung · $4 \times 25\text{ MW} = 100\text{ MW}$

zusätzliche elektrische Nettoleistung · $1 \times 2\text{ MW}$ (durch die Dotierturbine)

mittlere Jahresarbeit · $600\text{ Mio. kWh}$

M 5: Abfluss des Rheins in m³/s in Rheinfelden

a) Aufbau und Funktion des Wasserkraftwerks

Geben Sie die Namen der Subsysteme des in Material M 1 abgebildeten Laufwasserkraftwerks an und erklären Sie, wie die Anlage funktioniert. Stellen Sie bedeutende ökologische, ökonomische und soziale Gesichtspunkte der Wasserkraftnutzung dar.

(13 Punkte)

1. Bezeichnungen und Funktion der Subsysteme (1 bis 7):

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

2. Aspekte der Wasserkraft: