Aufgabe HT 2 - Kraftwerksberechnungen · Abitur NRW Technik LK · Haupttermin 2022

Aufgabenstellung: Optimierung eines Laufwasserkraftwerks am Hochrhein

Bei Rheinfelden steht das älteste Laufwasserkraftwerk Europas. Die ursprüngliche Anlage wurde 1898 errichtet und versorgt seither das Netz mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie. 2010 wurde die neue Anlage mit 4 Turbinen sowie einer weiteren Dotierturbine in Betrieb genommen. Analysieren Sie in den folgenden Aufgaben beide Kraftwerke.

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 m³/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 V, 50 Hz)

12 Gleichstromgeneratoren (100 V bis 1800 V)

elektrische Nennleistung · 25,7 MW

mittlere Jahresarbeit · 185 Mio. kWh

M 4: Technische Daten des neuen Wasserkraftwerks

Einweihung · 2010

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks durch die Kaplan-Turbinen · 1500 m³/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 MW Bruttoleistung

Dotierturbine · 1 Dotierturbine mit 2,28 MW Bruttoleistung

Generatoren · 4 Drehstromgeneratoren

Wirkungsgrad $\eta = 0{,}98$

elektrische Nettoleistung · 4 x 25 MW = 100 MW

zusätzliche elektrische Nettoleistung · 1 x 2 MW (durch die Dotierturbine)

mittlere Jahresarbeit · 600 Mio. kWh

M 5: Schematischer Aufbau einer Kaplan-Turbine im neuen Kraftwerk

M 6: Diagramm zum Einsatzbereich von Wasserturbinen

M 7: Abfluss des Rheins in m³/s in Rheinfelden

b) Wirkungsgrad des alten Kraftwerks

Berechnen Sie unter Verwendung von Material M 3 die mittlere Fallhöhe sowie die hydraulische Leistung des alten Kraftwerks. Ermitteln Sie außerdem den Wirkungsgrad dieses alten Wasserkraftwerks. [8 Punkte]

c) Wirkungsgrad und Auslastungsfaktor des neuen Kraftwerks

Berechnen Sie unter Verwendung von Material M 4 die mittlere Fallhöhe sowie die hydraulische Leistung des neuen Kraftwerks. Ermitteln Sie außerdem den Wirkungsgrad dieses neuen Wasserkraftwerks. Nennen Sie auf Grundlage der Materialien M 1 bis M 4 die Optimierungen, die beim Neubau umgesetzt wurden. Ermitteln Sie für die neue Anlage die Vollbenutzungsstunden und den Auslastungsfaktor. [19 Punkte]

d) Turbinenaufbau

Nennen Sie anhand von Material M 5 die wichtigsten Bauteile der Turbine und erläutern Sie ihre Funktionen. Berechnen Sie den Wirkungsgrad der in Material M 4 genannten Kaplan-Turbine. Erörtern Sie mit Hilfe von Material M 6, wo der Einsatz dieser Turbinenart an Grenzen stößt. [15 Punkte]

e) Abfluss und Einspeisung des neuen Kraftwerks

Erläutern Sie das Diagramm in Material M 7 zum Rheinabfluss am Kraftwerksstandort Rheinfelden vor dem Hintergrund der Jahreszeiten. Stellen Sie unter Nutzung von Material M 4 in Material M 7 grafisch dar, wie viele Turbinen in den einzelnen Zeitabschnitten in Betrieb waren. Erläutern Sie Ihre Vorgehensweise. [10 Punkte]