profane Orte 2.0

Laufwasserkraftwerk Straubing - Windkraftanlage Wiesenfelden - Solarfeld Au bei Ascha - Hochvoltwerk Straßkirchen

Vorbemerkung:

Eigentlich sollte dies nur ein Beitrag über die Schleuse und das Laufwasserkraftwerk Straubing werden, allerdings schon mit einem weiten Blick auf die Probleme der Versorgung der Bevölkerung mit elektrischer Energie. Aber schon  Gespräche mit dem Initiator des Himalaya Nepal Parks - Heribert Wirth - weitete den Blick auf ein Land, für das sich Wirth seit vielen Jahren vorbildlich engagiert. Die Entwicklung dieses Landes am Südrand des Himalaya kostet Geld - und Energie, möglichst umweltverträglich erzeugt. Elektrische Energie aus Wasserkraftwerk ist i. d. R. umweltfreundlich, außer es beeinträchtigt oder zerstört sogar natürliche Lebensgrundlagen - wie etwa ein Staudamm im Himalaya:

Die indische Firma GMR darf in Nepal ein riesiges Wasserkraftwerk bauen. Es sei das erste Mal, dass ein Privatunternehmen den Zuschlag für ein solches Vorhaben erhalten habe, sagte Nepals stellvertretender Premierminister Bam Dev Gautam. Der Vertrag wurde vor dem Wochenende unterzeichnet.
Das Bauprojekt ist mit umfangreichen Gegenleistungen verbunden: Nepal bekommt den Vertragsbedingungen zufolge zwölf Prozent der erzeugten Energie umsonst. Das Entwicklungsland leidet derzeit unter massiven Stromausfällen, die das Land regelmäßig für halbe Tage komplett lahmlegt.
Beobachter sehen das Vorhaben kritisch: Ein Dammbau ist generell mit erheblichen Eingriffen in die Umwelt verbunden. In einem Land wie Nepal, in denen Bauland aufgrund der gebirgigen Lage nur begrenzt zur Verfügung steht, dürften solche Großprojekte nicht ohne umfangreiche Umsiedlungsmaßnahmen zu realisieren sein. Die Fertigstellung ist für 2020 geplant.

Quelle: ntv vom 21. September 2014

Schließlich wurde aber dieser Beitrag der "Stromerzeugung" durch fließendes Wasser auf "Stromerzeugung" vermöge strömender Luft durch das Windkraftwerk über dem Schiederhof bei Wiesenfelden  sowie Erzeugung elektrischer Energie im Solarfeld Au bei Ascha erweitert. Dabei ist "Erzeugung" physikalisch gesehen ja völlig falsch, denn elektrische Energie gewinnt man durch Wandlung von kinetischer Energie bzw. Energie von Photonen in eben die elektrische Energie. Beginnen wir aber mit dem

Donausbau Straubing-Vilshofen

Das kleine Filmchen verschafft mal erste Eindrücke. ... Obwohl der Donau-Ausbau in Niederbayern höchst umstritten war und ist: Gestritten wurde und wird darum, ob das 'letzte Stück frei fließende Donau' zwischen Straubing und Vilshofen Schifffahrtsinteressen geopfert werden soll: Link1 und Link2, soll hier zuerst mal die Technologie der Energieumwandlung von kinetischer bzw. potentieller Energie fließenden Wassers in elektrische Energie dargestellen. Die Entscheidung über die Art des Ausbaus dieses Abschnitts ist wohl gefallen: Es ist ein 'sanfter' Ausbau vorgesehen!

Im Jahr 2013 einigt sich Ministerpräsident Seehofer mit niederbayerischen CSU-Vertretern, keine Staustufen zu bauen - zunächst soll sofort mit den Hochwasserschutzmaßnahmen begonnen werden (Stecke Straubing-Vilshofen entsprechend Variante A, sanfter Donauausbau ohne Staustufen), die Wasserstraße soll von Straubing bis zur Isarmündung ebenfalls nach Variante A ausgebaut werden. Der Hintergrund dazu: Im Jahr 2013 trifft Niederbayern eine Jahrhundertflut. Viele Orte werden vom Hochwasser komplett überschwemmt, wie der Deggendorfer Ortsteil Fischerdorf.

2020: Planfeststellungsverfahren genehmigt
Im Januar 2020 wird der Donauausbau im sogenannten Teilabschnitt 1 zwischen Straubing und Deggendorf offiziell genehmigt und übergeben. Der Planfeststellungsbeschluss umfasst den Ausbau der Bundeswasserstraße Donau und auch den Ausbau der Hochwasserschutzanlagen für ein 100-jährliches Hochwasser auf einem 38 Kilometer langen Streckenabschnitt.

Hier dennoch eine detaillierte Beschreibung der Schleuse Straubing

Wasserkraft Schleuse Straubing

  Grafik: Vreund by Verbund

Kaplan-Turbine des Wasserkraftwerkes Straubing, derzeit - 2019 - betrieben von UNIPER.

Zwar gibt es eine große Anzahl von Animationen, welche diese Energieumwandlung veranschaulichen, aber ein Besuch vor Ort ist immer noch ein Erlebnis, auch wenn UNIPER keine Besichtigungen des Kraftwerks mehr durchführt.

Bei etwas Geduld kann man dann auch eine Schleusung erleben, vollautomatisch gesteuert. Auch eine Besichtigung des Schleusenturms ist also nicht mehr möglich.

Die 'Nixe' des Bildhauers Hans Rieser zum Beispiel ist allemal einen Besuch wert! - Foto: pk

Wenn man dann den Blick wieder von der Nixe abwendet, dürfen schon einige Gedanken durch den Kopf gehen, zum Beipiel zum Erbauer RMD und zum aktuellen Betreiber Uniper, oder zu folgenden Fragen:

1. Wie viel Energie entnimmt die Turbine der fließenden Donau und wie viel elektrische Energie wird dann in das Stromnetz eingespeist?
2. Wie viele Haushalte kann man damit versorgen?
3. Welche Wasserstände sind für die "Stromerzeugung" günstiger? Hochwasser oder Niedrigwasser?
4. Ist die "Fischtreppe" tatsächlich für Fische 'begehbar'?
5. ...

1. Die Antwort auf diese Frage erfordert ein paar Daten und ein paar einfachere Rechnungen:
   Durch jede Turbine stürzen als "Ausbauwassermenge" pro Sekunde 167 Kubikmeter Wasser. Die Fallhöhe varriert natürlich und wird gem. Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes mit gut 5 m angegeben. Das stürzende Wasser verliert also potentielle Energie. Die kinetische Energie der fließenden Donauwassers kann wohl außer Acht gelassen werden, wenn als das Kraftwerk eigentlich kein Lauf-Wasserkraftwerk ist, sondern eher ein "Wasserfall"-Kraftwerk. 
   Diese errechnet sich als eine Engpassleistung von ca 24 MW - bei völlig unrealistischen Wirkungsgrad von 100 %. Wikipedia nennt 21.5 MW, also ist obige Abschätzung durchaus nachvollziebar. Die maximal  jährlich eingespeiste elektrische Energie wäre dann E = 1,65 Millionen kWh. Der Erbauer der Anlage nennt als Regelarbeitsvermögen pro Jahr 145 Millionen kWh, damit wäre der errechnete Wert um einen Faktor 1,14 zu hoch. Aber: die Zehnerpotenz stimmt!
   Dass diese Rechnungen mittels Maxima eher Milchmädchenrechnung sind, ist dem Verfasser des Beitrags natürlich bewusst. Aber solche Abschätzungen - Link - sind eine gute Fingerübungen zu Leistung- und Energieberechnungen mithilfe eines CAS, hier dem freien Maxima, Leib- und Magen-CAS zu Dienst-Zeiten des Verfassers !
2. Auf der Infotafel beim Kraftwerk steht, dass mit dieser Energie "eine Stadt wie Deggendorf" mit elektrischer Energie zu versorgen ist: 
   1995 - da ging das Kraftwerk ans Netz - hatte Deggendorf etwa 30.000 Einwohner (2019: Hauptwohnung: 33.851 und Nebenwohnung: 3.164). Für einen 3-Personen-Haushalt rechnet man mit ca 3500 kWh = 3.5 MWh. Also 'verbrauchen' die Einwohner von DEG geschätzt 3.5*10.000 = 35 Tsd MWh = 35 Millionen kWh, also etwa ein Drittel der Energie. Der Rest von 145 Mio kWh geht dann wohl in Handwerk, Industrie, öffentlicher Verbrauch uvam. Auch diese Abschätzung könnte nicht völlig falsch sein.
   Anmerkung: Dass von der RMD ausgerechnet Deggendorf als Bezugsgröße gewählt wurde musste die Straubinger schon schmerzen, hatte doch Deggendorf im Jahr der Fertigstellen des Kraftwerks den Zuschlag der FH DEG erhalten. Dieser von Straubing als Makel empfundene Verwaltungsakt der bay. Staatsregierung wurde erst 2018 durch Erhebung zur "Universitätsstadt" geheilt. (Quelle: Dr. Rudolf Hanisch - Silicon Valley BAYERN, S. 186 - Verlag Attenkofer) 
3. Die in Punkt 2 genannte Fallhöhe geht von einer Oberwasserhöhe von 320 m ü. NN aus. Diese Höhe wird durch die Einstellung der "Kappen" auch bei Hochwasser sehr präzise eingehalten - siehe Filmbeitrag hier in RePaLi. Allerdings ist der Unterwasserpegel praktisch nicht beeinflussbar. Er schwankt ziemlich gewaltig zwischen den in Punkt 1 zugrunde gelegten 315 m und betrug etwa beim Märzhochwasser 2019 etwa 316 m ü. NN. Damit war die Fallhöhe nur mehr 4 m, und beim Jahrhunderthochwasser 2013 sogar 319 m ü. NN. Da konnte das Kraftwerk kaum mehr elektrische Energie liefern. Also: Für die Energie-'Erzeugung' ist Niedrigwasser von Vorteil, etwa im Jahrhundertsommer 2018 mit ca 312 m ü. NN!
4. Fischtreppe? Was so unscheinbar daher kommt als "Treppe für Fische" beleuchtet ganz exemplarisch die ökologischen Probleme solcher Laufwasserkraftwerke. Zwar wandern in der Donau keine Lachse vom Schwarzen Meer in Laichgründe im Schwarzwald hoch, aber dennoch erfordert die Errichtung eines Laufwasserkratwerkes das Aufstauen eines Flusses, damit eine Schleuse und damit auch Vorrichtungen, dass "Lebewesen" auch ohne "Schleusung" donauauf- und auch donauabwärst sich bewegen können. Dass die Turbinen für Fische völlig unzugänglich sein müssen versteht sich von selbst.
   Darüber hinaus gibt es natürlich bei diesen Ausbaumaßnahmen eine ganze Menge von Eingriffen in die Ökologie eines Flussabschnitts, und es ist nicht einfach, dabei ein Gleichgewicht zwischen Ökololgie und Ökonomie herzustellen.

Windkraftwerk Wiesenfelden

Wanderwege Schiederhof - Häuslstraße: Man beachte die beiden langen Schattenwürfe der beiden - bis 2022 - "Spargel". Ab 2023 drehen sich nun 3 Wndräder.

Einer der Streitpunkte ist die befürchtete "Verspargelung der Landschaft". Die Seehofersche "10H - Regelung: Link" sollte da beruhigend wirken. Weitere Kritikpunkte sind Einflüsse auf die Gesundheit von Anliegern und Schäden für Fauna und Flora.

Aber zuerst einige technische Daten (vgl. oben zum Kraftwerk Straubing):

• Betreiberin: Windpark Schiederhof GmbH & Co. KG -  Ostwind
• technische Daten?
  Generatoren: 2 Vestas V136
  Nabenhöhe: 149 m
  Rotordurch­messer: 136 m
  Inbetrieb­nahme: 2018
  CO2-Einsparung: 10.000 t
• Wie viel Energie entnimmt die Turbine der strömenden Luft und wie viel elektrische Energie wird dann in das Stromnetz eingespeist?
  Ostwind gibt als Leistung und Energieeinspeisung an: 3,6 MW pro Generator, also insgesamt 7,2 MW also ein Jahresertrag von 15 MWh und - damit - versorgte Haushalte: 5000 bei 3000 kWh/Jahr
  
  
  
• Einfluss der Windverhältnisse? Die Luft im Luftkurort Wiesenfelden strömt natürlich wesentlich unregelmäßiger als das Donauwasser bei Straubing fließt. Einige Daten hierzu:
  Windanlagen werden üblicherweise bei einer Windgeschwindigkeit von 3 m/s (2 Beaufort = schwacher Wind) eingeschaltet und bei 22,5 m/s (9 Beaufort = Sturm) ausgeschaltet - also fixiert, wieder eingeschaltet bei 20 m/s. Die Rotoren werden dabei in einem gewissen Bereich nach dem Wind ausgerichtet. Schließlich ist die Berechnung des "Regelarbeitsvermögens" einer Windkraftanlage deutlich komplizierter als die des Laufwasserkraftwerks Straubing: s.o.
  
  
• Sowohl der Antransport der Rotoren wie auch der Montage erfordern präzise logistische Vorbereitung, bei der Montage etwa auch Berücksichtigung etwaiger Windböen.
  
  
• weitere Anlagen
  Die Gemeinde Wiesenfelden stellt nach anfänglicher Skepsis einiger Anwohner der ersten beiden Windkraftanlagen inzwischen durchaus wohlwollende Akzeptanz der Ostwind-Anlagen fest.
  Die mögliche Erweiterung um eine dritte Anlage stand schon von Anfang an im Raum. Nun wird es konkret: Das Landratsamt Straubing-Bogen hat Windrad Nummer drei genehmigt und das für Planung, Errichtung und Betrieb verantwortliche Unternehmen "Ostwind Erneuerbare Energien" mit Sitz in Regensburg will es kommendes Jahr ans Netz nehmen.
  Quelle: idowa - Claudia Stecher, 02.02.2021 - 12:15 Uhr
  In der Sitzung des Gemeinderates Wiesenfelden am 14.  April 2021 stand eine "Projektpräsentation zur dritten Windkraftanlage durch Ostwind Erneuerbare Energien" auf der Tagesordnung. - (mh) Straubinger Tagblatt vom 14. 4. 2021
  Diese Projektpräsentation erbrachte lt. Straubinger Tagblatt vom ... 4. 2021 folgendes Ergebnis: demnächst
  Bild: Ostwind

• Nicht nur die unterschiedlichen Windverhältnisse lassen es als denkbar erscheinen, die Generatoren aus Dreh-Rotoren in Magnetfeldern von Statoren als Gleichstromgeneratoren zu betreiben. Die den Stromfluss verursachende Gleichspannung wird dann elektronisch auf die bei uns üblichen 50 Hz "zerhackt". In der Wiesenfeldener Anlage erzeugen die Generatoren Gleichspannung, welche dann gleichgerichtet und anschließend auf die Netzfrequenz von 50 Hz 'zerhackt' wird. Die Einspeisung in das Niedervoltnetz erfordert noch eine Phasenanpassung.
  
  Generatoren mit getrennten Schleifringen könnten zwar erzeugen Wechselspannung erzeugen, aber deren Frequenz wäre nicht stabil 50 Hz: siehe geogebra - Link Mittels einfacher Diodenschaltung könnte zwar aus Wechselspannung eine 'geglättete' Gleichspannung gemacht werden: siehe unten bei E-Technik.
  
  ein anderer Weg geht über sogenannte Umrichter - sog. AC/AC-Wandler:
  Große Windenergieanlagen produzieren 3-Phasen-Wechselstrom wie jedes elektrische Kraftwerk.
  Die Spannung hängt von der Leistungsklasse der Windenergieanlage ab:
  120 V bis 240 V bei kleinen Anlagen (1,5 bis 10 kW)
  400 V bei mittelgroßen Anlagen (bis 500 kW), oder bei getriebelosen Windenergieanlagen
  690 V bei großen Anlagen (ab 600 kW)
  Diese Spannung wird mit einem Transformator in Abhängigkeit von der lokalen Netzspannung auf 20 kV bis 110 kV hochgespannt. Der Transformator kann sich in der Gondel, im Turm oder in einem kleinen Gebäude neben der Anlage befinden.Die Mehrheit der errichteten Anlagen ist mit Generatoren ausgerüstet, deren Frequenz variabel ist. Dieser Strom muss dann mit Hilfe eines Umrichters an die gewünschte Frequenz angepasst werden (50 Hz in Europa) - Details siehe E-Technik weiter unten. 
  Der Wirkungsgrad eines Generators liegt zwischen 96 und 98 %.
  
• Warum sind die Anlagen beim Schiederhof auch aus dem Donautal so gut sichtbar?
  Die beiden Windräder mit einer Nabenhöhe von 146 m und einer Rotorflügellänge von 68 m ragen zusammen also 214 m in die Höhe. Die Höhenlage des Schiederhofes - 652 m ü. NN - beträgt gut 300 m über der Donau, also durchaus vergleichbar - siehe Bild nebenan (Foto: pk).
• Die Seehofersche 10H - Regelung war eine Reaktion auf Proteste von Anwohnern. Wie war die Situation in Wiesenfelden bei der Errichtung der ersten beiden Anlagen?
  In der Planungs- und Bauphase betrieb Ostwind eine Facebookseite. Höchst erfreulich - so die Planer und Erbauer der Anlage - war es, wie positiv die Bevölkerung diese Anlage zur "Erzeugung" erneuerbarer Energie aufgenommen hat. Bürgermeister Drexler von Wiesenfelden sieht etwas differenzierte, aber auch er stellte eine große Akzeptanz der Anlage in der Bevölkerung Wiesenfeldens fest. Der Gemeinderat Wiesenfelden erteilte nach seiner Aussage mit deutlicher Mehrheit das Einvernehmen.

Solarfeld Ascha

Bei Ascha, Landkreis Straubing-Bogen, ist zwischen alter und neuer B20 das Solarfeld Au installiert. Diese Photovoltaik-Anlage wurde im Jahre 2008 installiert.

technische Daten:

Die Modultische sind 2-seitig der Sonne nachführbar und ermöglichen somit eine maximale Sonnenausbeute.

Inbetriebnahme: 12/2008
Installierte Leistung: 875 kWp (das 'p' weist auf die Leistung einer Photovoltaikanlage hin)
Ertrag für 250 Haushalte (wer mag kann rechnen: 1 kWp erzeugt in Deutschland pro Jahr durchschnittlich 1000 kWh Enerige. Ein Haushalt 'verbraucht' pro Jahr ca 3000 kWh. Also: 875*1000/250 = 3500 : passt!)
umzäunte Fläche: 30.000 m²
Ausgleichsfläche: 5.000 m²

EEB-Mitglied seit: 19.07.2016

------------- Filmausschnitt aus BR-Fernsehen "Unkraut" ----------

Der physikalische Prozess der Energie-Erzeugung mit Hilfe eines Solar-Panels unterscheidet sich aber grundlegend von der in einem Generator. Die Gesetzmaßigkeit bei letzterem gehorcht dem Induktionsgesetz, welches Faraday u.a. in den Jahren um 1830 entdeckt hat.

Der photoelektrische Effekt, welchen Einstein um 1905 beschreibt und für den er auch im Jahre 1921 den Physik-Nobelpreis erhielt, ist ein Vorgang, bei dem ein Lichtteilchen (Photon γ) ein Elektron e^- zB aus der Hülle eines Atoms Z herauslöst. Ein Feynman-Diagramm - Richard Feynman 1919-1988 - stellt das so dar:

Die Feynman-Graphen haben auch Eingang in die zeitgenössische Kunst gefunden. Der deutsche Glaskünstler Karl-Martin Hartmann hat im Jahr 2000 für die Kirche St. Nicolai in Kalkar ein Chorfenster geschaffen, das er aus einem Raster aus Feynman-Graphen gestaltete. Physikalische Erkenntnisse und die Schönheit der Naturwissenschaften sollen in diesem sakralen Kontext in einen Dialog mit den Lehren und Botschaften der Religion treten.

Prinzipiell muss man sich aber darüber im Klaren sein, dass die elektrische Energie, welche die Panels liefern, Gleichstrom-basiert ist und für die Einspeisung in das Stromnetz aufwändig mit einem Grid-Tie-Wechselrichter aufbereitet werden muss.

E-Technik

Die elektrische Energie aus Wasserkraft, Wind und Sonne wird ja bekanntlich in das Europa-weite Stromnetz eingespeichert. Dies erfordert einiges an E-Technik.

Hier professionelle Animationen: Link1 

Grundlegend für die Energierzeugung mittels Generatoren ist das Induktionsgesetz: U_ind = - dφ/dt - dabei steht das große griechische Phi für den sog. Fluss, also das Skalar-Produkt aus magn. Flussdichte B und durchströmter Fläche A und d/dt für die zeitliche Änderung.

Generatoren mit zwei getrennten Schleifringen erzeugen Wechselspannung - auf das Bild clicken, solche mit geteiltem Schleifring eine 'pulsierende' Gleichspannung

Mittels einfacher Diodenschaltung könnte zwar aus Wechselspannung eine 'geglättete' Gleichspannung gemacht werden:

Aber dann müsste ja mithilfe eines Wechselrichters daraus wieder eine Wechselspannung mit passender Netzfrequenz gemacht werden. 

Dieser Screenshot zeigt eine beeindruckende Amnimation des Induktionsgesetzes in einer GeoGebra des Autors Otto Dolinsek!
Klick auf das Bild!

AC/AC-Wandler können die erzeugte Wechselstromfrequenz an die gewünschte Netzfrequenz - zB 50 Hz - umwandeln: Link

Ein Grid-Tie-Wechselrichter hat dagegen eine andere Funktion als der bisher beschriebene Wechselrichter. Tatsächlich wandelt er nicht nur einen Gleichstrom in Wechselstrom um, sondern kann diesen Strom auch in das nationale Stromnetz einspeisen. Um diese Funktion auszuführen, muss der Grid-Tie-Wechselrichter die Netzspannung abtasten und für die Übertragung synchronisieren.

Dass Solarpanel hundert Jahre nach Entdeckung des physikalischen Prinzips einen Beitrag zur Rettung unseres schönen Planeten leisten, hatte sich vermutlich auch Albert Einstein nicht gedacht. Es hat sich aber vom Verständnis der quantenhaften Vorgänge bis zur heutigen großtechnischen Anwendung einiges getan:

Zwar konnte man den Photoeffekt zB ja in den Fraunhofer-Linien des Sonnenlichtes beobachten, aber da musste halt die Energie des Lichtquants exakt zur Energiedifferenz der Bohrschen Elektronen-"Bahnen" passen, am besten zur Ionisierungsenergie eines Atoms. 
In 'modernen' Solarpanels spricht man da eher von Energie-"Bändern". Deren Elektronen-Lochpaare können im inneren photoelektrischen Effekt unterschiedliche Lichtquanten-Energien absorbieren. Infolge solcher Energieaufnahme wandern sie vom Valenzband ins Leitungsband und stehen damit für "Stromerzeugung" zur Verfügung stehen.
Einfachste Formen von Solarzellen entstehen mithilfe dünn aufgedampfter Schichten aus amorphem Silizium. Diese Photovoltaik-Module sind besonders einfach und preiswert herzustellen, weisen aber Wirkungsgrade von weniger als zehn Prozent auf.
Die neuesten Entwicklungen im Bereich Solarzellen zeigen erfreuliches: Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat gemeinsam mit Soitec, CEA-Leti und dem Helmholtz Zentrum Berlin eine Solarzelle entwickelt, die fast dreihundert Mal so stark konzentriert ist wie das Sonnenlicht. Die entwickelte Solarzelle erzielt einen Wirkungsgrad von 44,7 Prozent! Damit hat das Forscherteam einen Weltrekord für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom aufgestellt. Die gelungene Entwicklung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer weiteren Kostensenkung für Solarstrom.

"Neben verbessertem Material und optimierter Struktur spielt vor allem ein neues Verfahren, das Wafer-Bonden, eine zentrale Rolle. Mit diesem Verfahren verbinden wir zwei Halbleiterkristalle miteinander, die aufgrund unterschiedlicher Kristallgitter nicht aufeinander passen. So können wir die optimale Halbleiterkombination für höchsteffiziente Solarzellen herstellen."
Dr. Frank Dimroth (Abteilungs- und Projektleiter am Fraunhofer ISE)

Permanentes Wafer-zu-Wafer-Bonden - Fraunhofer IZM izm.fraunhofer.de

Hochvoltwerk Straßkirchen

Diese beiden Bilder - Foto: pk, Visualisierung BMW-Group - mögen für die widerstreitenden Positionen zum geplanten Vorhaben stehen.

Link zur BMW-Group