Reservoirs with hydropower facilities

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Wasserkraftanlagen treten in Verbindung mit Speichern auf. Soll ein Laufwasserkraftwerk abgebildet werden, ist der zugehörende Gewässerabschnitt als Speicher zu definieren.

In Abhängigkeit der Priorität von Wasserkraft gegenüber anderen Nutzungen gibt es verschiedene Konzepte zur Simulation von Turbinen. An den Talsperren der deutschen Mittelgebirgslagen tritt die Gewinnung von Wasserkraft in den meisten Fällen als Nebenprodukt auf. Dort nutzt man die Fallhöhe aus, um neben primären anderen Nutzungen einen weiteren Vorteil aus dem Bau einer Talsperre zu ziehen. Dort wird man versucht sein, immer genau dann Turbinen in Betrieb zu nehmen, wenn ausreichend Wasser zur Verfügung steht, ohne dabei konkurrierende Nutzungen zu beeinträchtigen.

Wasserkraft als Nebenprodukt

Iterative Berechnung der Turbinenabgabe

Hier bietet sich eine Näherungsberechnung an, welche die Turbinenabgabe in Abhängigkeit des aktuellen Wasserstandes, unter Beachtung von Schluckfähigkeit und Wirkungsgrad, definiert. Als Vereinfachung wird ein konstanter Unterwasserstand angenommen. Die notwendigen Berechnungsschritte sind im Folgenden gegeben:

1. Vorgabe mehrerer Stützstellen entlang des Speicherinhaltes
2. Iterative Berechnung der Turbinenabgabe für alle Stützstellen unter Annahme eines konstanten Unterwasserstandes
3. Vorgabe eines Grenzinhaltes, ab dem die Turbinenabgabe zugunsten anderer Nutzungen auf Null reduziert wird
4. Abgabenfunktion der Speichernutzung 'Wasserkraft' zuweisen
5. Simulation

Die Bestimmung der Abgabenfunktion für die Turbine ist somit als Vorleistung zu erbringen.

Beispiel:

Es sei eine Turbine mit ihrem Wirkungsgrad gegeben. Bei Vorgabe einer erwünschten Leistung muss der Turbinendurchfluss iterativ berechnet werden, da Fallhöhe, Wirkungsgrad und Verlusthöhe vom Durchfluss abhängen. Wird der Wasserspiegel im Unterwasser als konstant angenommen, kann für beliebige Wasserstände im Speicher ein leistungsabhängiger Durchfluss berechnet werden. Die Annahme eines konstanten Unterwasserstandes erscheint im Hinblick auf Talsperren mit hohen und stark schwankenden Oberwasserständen aber wenig unterschiedlichen Unterwasserständen als Näherungslösung gerechtfertigt.

Die gegenüber den Hauptnutzungen zurückgesetzte Priorität kommt durch das Zurücknehmen der Funktion auf Null zum Ausdruck. Ergebnis der Vorberechnung der Turbinenleistung ist eine eindeutige Funktion entlang des Speicherinhaltes.

Durch Verschieben des Punktes 'S1' nach rechts wird die Turbinenabgabe früher auf Null reduziert. Damit bleiben für andere Nutzungen mehr Reserven frei. Grundsätzlich ist bei der Aufstellung der Funktion auf den Wirkungsgradbereich zu achten und gegebenenfalls die Funktion entlang des Speicherinhaltes einzuschränken.

Beispiel einer speicherinhaltsabhängigen Turbinenabgabe bei konstantem Unterwasserstand

Wasserkraft als Hauptprodukt

Ist die Produktion von Wasserkraft Hauptziel des Talsperrenbetriebs, so steht die maximale Leistungsabgabe einer Turbine im Vordergrund. Für eine genauere Betrachtung sollte auch der Unterwasserstand korrekt einbezogen werden. Die Berechnungsreihenfolge ändert sich:

1. Ermittlung/Festlegung der Kenngrößen der Turbine. Dazu gehören die Leistung, maximale Schluckfähigkeit, durchflussabhängiger Wirkungsgrad und die Angabe durchflussabhängiger Verlusthöhen.
   Während der Simulation folgen die nächsten Berechnungsschritte:
2. letzten Unterwasserstand abgreifen
3. Iterative Berechnung des Turbinendurchflusses Q_Turbine mit einem geschätzten Wasserstand im Speicher
4. Für den betroffenen Speicher erfolgt eine Inhalts- und Abgabenberechnung unter Berücksichtigung aller am Speicher wirkenden Nutzungen, wobei Q_Turbine konstant gehalten wird
5. Vergleich der neuen und alten mittleren Wasserstände im Zeitintervall
6. Ist das WSP-Abbruchkriterium nicht erreicht, neuen mittleren Wasserstand im Speicher schätzen und ab 3. die Berechnung wiederholen

Auf diese Art erreicht die Turbine immer die erwünschte Leistung, solange die maximal mögliche Durchflussmenge des Auslasses nicht überschritten wird.

Bei der Wasserkrafterzeugung als Hauptprodukt ergibt sich nun ein in Abhängigkeit des Ober- und Unterwasserstandes veränderlicher Turbinendurchfluss. Der wesentliche Unterschied zur Wasserkraftnutzung als Nebenprodukt liegt im variablen Unterwasserstand, der einmal höhere oder niedrigere Nettofallhöhen verursacht und dadurch die optimale Abgabe der Turbine beeinflusst.

Ist beabsichtigt, nur für bestimmte Speicherinhalte eine Turbine auf optimaler Leistung zu fahren, kann die Turbine durch eine zusätzliche speicherinhaltsabhängige Abgabenfunktion oder eine Systemzustandsfunktion gemäß dem Faktorkonzept beeinflusst werden. Diese wird zwischen 0 bis maximaler Speicherinhalt und für die y-Achse einheitenlos zwischen 0 und 1 definiert. Der Turbinendurchfluss dient als Faktor.