Die hydraulische Druckhöhe ist ein Maß für die im Wasser von Flüssen, Bächen oder Seen gespeicherte Energie. Sie entspricht dem Wasserstand in einem fließenden Gewässer. Vereinfacht gesagt, misst sie die Höhe einer Wassersäule über einem bestimmten Punkt und wird üblicherweise in Metern (bzw. Fuß in den USA) angegeben. Je höher der Wasserstand oder die hydraulische Druckhöhe ist, desto mehr Energie steht an diesem Punkt zur Verfügung.
In Kraftwerken hängt die nutzbare Energiemenge vom Unterschied zwischen dem Wasserspiegel im Stausee oberhalb des Damms und dem Wasserspiegel unterhalb des Damms unterhalb des Damms ab. Dieser Unterschied wird als hydraulische Druckdifferenz bezeichnet. Sie gibt an, wie viel Energie mithilfe von Turbinen und Generatoren in Strom umgewandelt werden kann. Weitere Berechnungen zeigen, dass neben der Entfernung auch verschiedene Verluste, sogenannte Druckverluste, die Energieausbeute beeinflussen.
Da das Wasser im Stausee aufgrund seiner höheren Lage eine größere horizontale potenzielle Energie besitzt als das Wasser im Unterwasserkanal, wird durch die Druckleitungen die Energie erzeugt, die zum Antrieb der Turbinen und zur Stromerzeugung benötigt wird. Der Vorgang wird hier mithilfe der Bernoulli-Gleichung dargestellt. Im Allgemeinen entspricht eine hydraulische Fallhöhe einer Einheit Gravitationsenergie – in diesem Fall dem Wasserspeichervolumen.
Die Gleichung für die Wasserkraft nutzt den Wert der hydraulischen Fallhöhe, um die geschätzte verfügbare Leistung zu ermitteln. Dieser Faktor spielt in der Gleichung eine Rolle, die wie folgt dargestellt wird:
P = ρQgΔh
Kennzahlen:
- P – Die Rate, mit der die Leistung berechnet und gemessen wird, wird in Joule pro Sekunde, bekannt als W, ausgedrückt.
- Δh – Stellt den hydraulischen Druckunterschied über dem Damm oder der Turbine dar, gemessen in Metern.
- ρ – Hängt von der Dichte der Flüssigkeit ab, gemessen in kg/m3.
- Q – Bezeichnet die Volumenabgabe oder Durchflussrate von Wasser, gemessen in Metern pro Sekunde (m3/s).
- g – Stellt die Erdbeschleunigung dar, gemessen in Metern pro Sekunde im Quadrat.
Diese Gleichung besagt, dass eine größere Druckdifferenz zu einem Potenzial für in Speichern gespeicherte mechanische Energie führt.
Arten von Hydraulikköpfen
Es gibt drei Klassifizierungen von Staudämmen basierend auf ihren unterschiedlichen hydraulischen Druckhöhen: mittel und niedrig. Weitere Einzelheiten zu diesen Druckhöhen werden später erläutert.
1. Hoher Kopf
Bei einem Höhenunterschied von mehr als einhundert Metern spricht man von Hochdruckkraftwerken. Im Gegensatz zu den vorherigen Kraftwerken wird das Wasser in diesen Anlagen üblicherweise aus höheren Lagen entnommen, wodurch ein geringeres Volumen zur Erzeugung der gleichen Energiemenge benötigt wird. Da das Wasser in solchen Systemen langsam fließt, sind kleine Turbinen ausreichend.
Das Wasser muss zudem eine gewisse Strecke über eine lange Druckleitung zurücklegen, da selbst eine kürzere Turbine und eine schmalere Druckleitung zur Bildung von Luftlöchern führen, die den Wirkungsgrad mindern. Große Wasserkraftwerke gehören meist zu den Hoch- und Mitteldruckkraftwerken.
2. Mittlerer Kopf
Bei Mittelfall-Staudämmen beträgt der Fallhöhenunterschied 10 bis 100 Meter. Im Vergleich zu Hochdruck-Staudämmen ist der Höhenunterschied bei der Druckleitung in Mittelfall-Staudämmen geringer. Diese Staudammart nutzt eine beträchtliche Wassermenge und den damit verbundenen großen Höhenverlust.
3. Niedriger Kopf
Systeme verfügen üblicherweise über Niedrigwasserkraftwerke mit einer Fallhöhe von weniger als 10 Metern . Aus diesem Grund werden Niedrigwasserturbinen in der Regel in Betrieben wie Laufwasserkraftwerken eingesetzt, bei denen Flüsse ohne nennenswerte Wasserstandserhöhung bewegt werden.
Ein typisches Niederdrucksystem transportiert große Wassermengen. Daher sind größere Turbinen erforderlich, um Wasserenergie effizient in Strom umzuwandeln. Für diese Anlagen ist kein Stauen erforderlich, da weniger Wasser gespeichert werden muss.
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Hydraulische Druckverluste
Diese Verluste entstehen durch Reibung in den Rohren . Die Berücksichtigung dieser Druckverluste reduziert die im Wasser enthaltene Energie. Dieser korrigierte Wert, der die Verluste einbezieht, wird als effektive Förderhöhe bezeichnet.
Die effektive Fallhöhe entspricht der Bruttofallhöhe abzüglich aller Druckverluste. Alle Wasserkraftwerke erzeugen Druckverluste, die in Haupt- und Nebenverluste unterteilt werden. Die hydraulischen Druckverluste werden gemessen, berechnet und gleichgestellt mit der hydraulischen Fallhöhe selbst ausgedrückt, z. B. in Bezug auf die äquivalente Höhe des Wasserzählers . Dazu muss von der gesamten Bruttoleistung die durch Druckverluste verlorene Leistung abgezogen werden; so erhält man die tatsächlich nutzbare Nettoleistung. Die Gleichung lautet:
Nettoertrag = Bruttoertrag − Verlustertrag
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Arten von Druckverlusten
Die Arten von Druckverlusten sind:
Hauptdruckverluste: Der Großteil der Hauptdruckverluste entsteht durch Reibung in den Rohrleitungen und tritt über lange Strecken der Pipeline auf, beispielsweise in der Druckleitung.
Geringfügige Druckverluste: Alle anderen Ursachen für geringfügige Druckverluste neben Reibungsverlusten. Im Wesentlichen entsteht überall dort, wo sich ein Rohr krümmt oder die Wasserströmung ändert, ein gewisser Druckverlust, der als geringfügiger Druckverlust bezeichnet wird.
Es gibt jedoch Fälle, in denen die großen Druckverluste geringer sind als die kleinen, deren Summe jedoch die Gesamtleistung eines hydraulischen Staudamms bestimmt, anders als ihre Namen vermuten lassen.
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