Beton-Kalender 2011 E-Book
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- Herausgeber: Wiley-VCH
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
Unter dem Schwerpunktthema "Energie" behandelt der Beton-Kalender in mehreren Beiträgen Planung und Entwurf von baulichen Anlagen, die der Energiegewinnung der Zukunft - örtlich, regional und im internationalen Maßstab - dienen. Dabei werden zum notwendigen Verständnis der besonderen Lasteinwirkungen jeweils einführend die Technik, Typen und Leistungsklassen beschrieben, und anschließend die Betontragwerke erläutert. Die spezifischen Anforderungen an den Baustoff Beton im Kraftwerksbau werden in einem gesonderten Kapitel behandelt. Das Thema Energie ohne die die Nachhaltigkeit von Betonkonstruktionen selbst zu betrachten, wäre unvollständig; Beiträge zur Lebensdauerbemessung sowie zur Erhaltung durch Instandsetzung tragen dem Rechnung. Die Neufassung der DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton vom März 2010 ist Anlass, mit dem zweiten Schwerpunkt "Faserbeton" alle Aspekte dieser Baustoffe und ihrer Anwendung in mehreren Beiträgen umfassend zu behandeln, darunter Originaltext der SFB-Richtlinie und Erläuterungen.
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Seitenzahl: 2338
Veröffentlichungsjahr: 2014
Ähnliche
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Anschriften 1
Anschriften 2
Beiträge früherer JahrgängeBeiträge früherer Jahrgänge
I Energie, Kraftwerksbau
1 Allgemeines
2 Energiepolitik
3 Heutige Energieversorgung
4 Zukünftige Energieversorgung
5 Kraftwerkstypen/Energiewandlung
6 Besondere Aspekte verschiedener Kraftwerkstypen
7 Bauwerke und Konstruktionen
8 Einwirkungen
9 Literatur
II Windenergieanlagen in Stahlbeton- und Spannbetonbauweise
1 Allgemeines
2 Einwirkungen auf Windenergieanlagen
3 Nichtlineares Werkstoffverhalten
4 Tragkonstruktionen und Bemessung
5 Herstellung von Türmen aus Spannbeton
6 Literatur
III Geothermie
1 Allgemeines
2 Technologien der oberflächennahen Geothermie
3 Planung und Projektablauf
4 Geothermische Erkundung und Dimensionierung
5 Herstellung und Konstruktive Durchbildung
6 Qualitätssicherung
7 Rechtliche Aspekte und Genehmigung
8 Literatur
IV Staumauern aus Beton und Mauerwerk
1 Einführung
2 Konzeption und Gestaltung von Staumauern
3 Gewichtsstaumauern
4 Bogenstaumauern
5 Planung von Talsperren
6 Sicherheitsnachweise
7 Bauwerksüberwachung
8 Beispiele
9 Sanierung von Massivsperren
10 Literatur
V Planung und Bau von Kleinwasserkraftwerken
1 Kleinwasserkraft in Europa – Potenziale, Bestand und Randbedingungen
2 Physikalische und energiewirtschaftliche Grundlagen
3 Datenerhebung, Datensammlung
4 Hydrologische Grundlagen
5 Grundlagen der angewandten Hydrodynamik
6 Klassifizierung und Bauteile
7 Wehranlagen
8 Wasserfassung und Abwehr von Wasserinhaltsstoffen, Spülung
9 Offene Triebwasserwege
10 Geschlossene Triebwasserwege – Rohrleitungen
11 Verschluss- und Regelorgane bei Rohrleitungen
12 Turbinen
13 Elektrotechnische Ausrüstung
14 Umweltauswirkungen
15 Literatur
VI Konzepte der Tragwerksplanung im Kraftwerksbau
1 Einleitung
2 Tragwerksplanung
3 Zusammenfassung
4 Literatur
VII Bautechnik im Kernkraftwerksbau
Vorbemerkung
1 Einführung
2 Kernenergie
3 Genehmigungsaspekte
4 Bauwerke für kerntechnische Anlagen
5 Außergewöhnliche Einwirkungen für die Auslegung kerntechnischer Anlagen
6 Sicherheitskonzept und Bemessung
7 Befestigungstechnik
8 Äußere Bauwerksabdichtung
9 Alterungs- und Lebensdauermanagement
10 Literatur
VIII Beton im Kraftwerksbau
1 Einleitung
2 Grundlegende betontechnische Anforderungen im Kraftwerksbau
3 Betone für typische Bauteile im Großkraftwerksbau
4 Besondere Betone für Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
5 Literatur
IX Faserbeton
1 Einleitung
2 Fasern in der Natur
3 Fasern im Bauwesen
4 Normungsarbeiten national und international
5 Schlusswort
6 Literatur
X Grundlagen des Faserbetons
1 Einleitung
2 Faserarten und Faserwerkstoffe
3 Wirkungsweise der Fasern im Festbeton
4 Stahlfaserbeton
5 Glasfaserbeton
6 Kunststofffaserbeton
7 Faserbewehrte Sonderbetone
8 Ausblick
9 Literatur
XI Baukonstruktionen aus Faserbeton
1 Einleitung
2 Faserarten und -eigenschaften
3 Grundsätzliche Eigenschaften von Faserbetonen
4 Regelwerke
5 Rechentechnische Kenngrößen und Faserorientierung
6 Anwendungen mit Bauteil- bzw. Bauartzulassung
7 Decken
8 Fundament- und Bodenplatten
9 Wände
10 Balken und Binder
11 Druckglieder und Stützen
12 Tunnelbau
13 Vortriebsrohre und Leitungsbau
14 Sonstige Baukonstruktionen aus Faserbeton
15 Ausblick
16 Literatur
XII Erläuterungen zur Dafstb-Richtlinie Stahlfaserbeton
Einleitung
Teil 1 der Richtlinie: Ergänzungen und Änderungen zu Din 1045 Teil 1 „Bemessung und Konstruktion“ für Bauteile aus Stahlfaserbeton
1 Anwendungsbereich
2 Normative Verweisungen und Hinweise
3 Begriffe und Formelzeichen
4 Bautechnische Unterlagen
5 Sicherheitskonzept
6 Sicherstellung der Dauerhaftigkeit
7 Grundlagen zur Ermittlung der Schnittgrößen
8 Verfahren zur Ermittlung der Schnittgrößen
9 Baustoffe
10 Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit
11 Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit
12 Allgemeine Bewehrungsregeln
13 Konstruktionsregeln
Teil 2 der Richtlinie: Ergänzungen und Änderungen zu Din En 206-1 und Din 1045-2
1 Anwendungsbereich
2 Normative Verweisungen
3 Begriffe, Symbole und Abkürzungen
4 Klasseneinteilung
5 Anforderungen an Beton und Nachweisverfahren
6 Anforderungen an den Festbeton
7 Lieferung von Frischbeton
8 Konformitätskontrolle und Konformitätskriterien
9 Produktionskontrolle
Teil 3 der Richtlinie: Ergänzungen und Änderungen zu Din 1045-3
1 Anwendungsbereich
8 Betonieren
11 Überwachung durch das Bauunternehmen
Literatur
XIII Betonstahl und Spannstahl
Einleitung
1 Betonstahl
2 Spannstahl
XIV Lebensdauerbemessung
1 Einführung
2 Modellierung von Schädigungsmechanismen
3 Bemessungsformate
4 Anwendungsmöglichkeiten der Lebensdauerbemessung
5 Literatur
XV Instandsetzung und Erhaltung von Betonbauwerken
1 Einleitung
2 Normen – Richtlinien – Vorschriften
3 Sorgfältiger Neubau statt nachträglicher Sanierung
4 Angriffe auf Stahlbeton – Schadensmechanismen
5 Bestandsaufnahme und Schadensdiagnose
6 Instandsetzung
7 Sonderverfahren
8 Kurzbezeichnungen
9 Literatur
XVI Normen und Regelwerke
1 Einleitung
2 Technische Regeln des Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbaus
3 Listen und Verzeichnisse
4 Literatur
Stichwortverzeichnis
Hinweis des VerlagesDie Recherche zum Beton-Kalender ab Jahrgang 1980 steht im Internet zur Verfügung unter www.ernst-und-sohn.de
Titelfoto: Mathias Euler, Stuttgart
Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© 2011 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany
Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden.
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Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind.
ISBN 978-3-433-02954-1
ISSN 0170-4958
Vorwort
Der Beton-Kalender 2011 behandelt das aktuelle Thema der baulichen Anlagen zur Energieversorgung mit den wesentlichen Aspekten der Energieumwandlung und des Kraftwerksbaus sowie den aktuellen Stand des Baustoffs Faserbeton. Die wissenschaftlichen Grundlagen werden genauso wie die praktischen Hinweise zur Bemessung, zur konstruktiven Durchbildung und die in den Fachgremien diskutierten Regelwerke in fachlich abgestimmten Beiträgen dargelegt. Das Ingenieur-Know-How entwickelt sich auf dem Grundlagenwissen, ergänzt mit aktualisiertem Fachwissen. Der Bauingenieur muss die Vernetzung der Wissensgebiete beherrschen. Dies gilt vermehrt für die Zukunft. Er muss sein Wissen ständig erneuern und es unmittelbar mit praktischer Konstruktionserfahrung ergänzen. Zum Wissen gehört das Kennen des eigenen Fachgebietes, das vernetzte Denken und das Suchen nach Neuem. Fachwissen ist Erfahrungswissen, das nur durch ständige Weiterbildung erhalten werden kann. Dieses Wissen muss ein Leben lang aktualisiert werden – eine bewährte Möglichkeit ist die Lektüre des Beton-Kalenders!
Johann-Dietrich Wörner und Bernhard Milow stellen in ihrem Einleitungsbeitrag zur Energie und zu den Kraftwerkstechnologien die derzeitige Situation der Energiepolitik und der heutigen sowie der zukünftigen Energieversorgung dar. Die Nachhaltigkeit der Energieversorgung wird durch das Energiesparen, eine effiziente Energieumwandlung und die Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien in den Bereichen Strom, Wärme und Brennstoffe bestimmt. In allen drei Handlungslinien bestimmen Bauingenieure durch ihr Fachwissen den Fortschritt. In einem Überblick werden die Verfahren und Anlagen zur Energiewandlung sowohl im konventionellen Bereich der Kraftwerke als auch die erforderlichen Bauwerke bei erneuerbaren Energien diskutiert.
Jürgen Grünberg und Joachim Göhlmann haben in umfassender Weise die Windenergieanlagen in Stahlbeton- und Spannbetonbauweise bearbeitet. Bei der Entwicklung und Herstellung von Windenergieanlagen nehmen Deutschland und Österreich weltweit eine herausragende Stellung ein. Anfang 2010 waren in der EU Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von mehr als 75.000 MW am Netz. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Einwirkungen, wobei die Windlasten basierend auf der DIN 1055-4 vertiefend dargestellt werden. Für die Bemessung der Tragkonstruktionen werden das nichtlineare Werkstoffverhalten und das geometrisch nichtlineare Strukturverhalten berücksichtigt. Die Bemessung in Stahlbeton- und Spannbetonbauweise wird sowohl auf die DIN 1045-1 (2008) als auch auf die DIN EN 1992-1-1: Eurocode 2 mit dem nationalen Anhang (Entwurf 2010) bezogen. Speziell wird auch die Herstellung von Türmen aus Spannbeton behandelt, bei der besondere Entwurfskriterien, die weitere Entwicklung der Segmentbauweise und die Gründungsbauwerke diskutiert werden.
Rolf Katzenbach, Frithjof Clauß, Thomas Waberseck und Isabel M. Wagner beschreiben den aktuellen Wissensstand der Geothermie. Nach einer allgemeinen Einleitung in die thermischen Eigenschaften und den Wärmetransport von Böden wird die Technologie der oberflächennahen Geothermie beschrieben. Detailliert wird auf die Planung, Erkundung, Bemessung und konstruktive Durchbildung der Anlagen eingegangen. Dabei werden die verschiedenen Bohrverfahren erläutert und Erdwärmekollektoren, Geothermiesonden, Energiepfähle sowie auch die direkte Grundwassernutzung behandelt. Aspekte der Qualitätssicherung, der messtechnischen Überwachung und verwaltungsrechtliche Notwendigkeiten zur Genehmigung in Deutschland runden den Beitrag ab.
Diethelm Linse befasst sich mit den Staumauern aus Beton und Mauerwerk. Dabei werden die Gewichts- und die Bogenstaumauern detailliert behandelt. Neben der Gestaltung werden auch Aspekte der Bauausführung und der Tragmechanismen einbezogen. Für den Nachweis der Tragsicherheit wird die DIN 19700 mit globalen Sicherheitsbeiwerten verwendet, wobei mit einer Lebensdauer von 100 Jahren gerechnet wird. Für die Gebrauchstauglichkeit sind die Nachweise der Dichtigkeit und der Fugenklaffungen zu erbringen. Wesentlich bei den Staumauern ist die Bauwerksüberwachung sowohl in der Bauphase als auch besonders während des Betriebs. Die Möglichkeiten der Ertüchtigung von Staumauern werden anhand von Beispielen dargestellt.
Die Planung und den Bau von Kleinwasserkraftwerken behandelt Bernhard Pelikan. Gerade bei der Planung müssen die Landschaftseinbindung, die ökologischen und wasser- sowie bautechnischen Aspekte einbezogen werden. Die einzelnen Wasserkraftanlagen werden beschrieben und die Anwendungsbereiche der Turbinen mit ihren Wirkungsgraden aufgezeigt.
Peter Osterrieder, Dieter Werner und Marc Simon stellen Konzepte der Tragwerksplanung im Kraftwerksbau vor. Die notwendige Tiefe der Tragwerkskonzeption in den verschiedenen Planungsphasen wird aufgezeigt und der Projektablauf detailliert dargestellt. Hinweise zur konstruktiven Ausbildung der Gründungen, der Treppentürme, des Maschinen- und Kesselhauses, des Kohlelagers, der Silos, des Kühlsystems mit dem Kühlturm und dem Pumpenhaus runden diesen Beitrag ab.
Rüdiger Meiswinkel, Julian Meyer und Jürgen Schnell behandeln umfassend die Bautechnik im Kernkraftwerksbau. Neben den Grundlagen zur Stromerzeugung aus der Kernspaltung werden die Aspekte der Sicherheit, der Genehmigung und der Planungs- und Auslegungsanforderungen betrachtet. Detailliert werden die Bauwerke bis hin zu den baulichen Anlagen für die Entsorgung beschrieben. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die außergewöhnlichen Einwirkungen wie Störfälle, Brände, Explosionen, Erdbeben und Hochwasser bei der bautechnischen Auslegung gerichtet. Das Sicherheitskonzept und die Hinweise für die Bemessung der Bauteile aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton beziehen sich auf die DIN (DIN 25449; DIN 1045-1)- und Eurocode-Normen sowie auf die kernkraftspezifischen Regelwerke (KTA-GS-78; KTA 2201.3). Die Auslegung und Bemessung der Befestigungselemente unter Berücksichtigung des Leitfadens für Dübelbefestigungen in Kernkraftwerken und anderen kerntechnischen Anlagen (DIBt-Leitfaden, 2010) finden sich ebenfalls in diesem Beitrag. Erläuterungen der Aufgaben und Anforderungen an die Bauwerksabdichtung sowie des Alterungs- und Lebensdauermanagements beschließen die Ausführungen.
Ludger Lohaus, Lasse Petersen, Robert Griese und Steffen Anders befassen sich mit Beton für den Kraftwerksbau. Im Detail werden die betontechnischen Anforderungen und die betontechnologischen Zusammensetzungen für typische Bauteile im Kraftwerksbau beschrieben. Einige Besonderheiten der Betontechnologie für Windenergieanlagen, Schwergewichtsgründungen, kraft- und formschlüssige Verbindungen sowie für die Herstellung von Wärmespeichern werden ebenfalls behandelt.
Horst Falkner und Jens-Peter Grunert geben einen Überblick über die Technologie und die Anwendungspotenziale von Faserbeton. Die Wirkungsweisen von Fasern in Beton werden aufgezeigt und die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Fasermaterialien besprochen. Auf die Bemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit wird erläuternd eingegangen. Interessant ist die Zusammenstellung von Normen und Richtlinien für Faserbeton in verschiedenen Ländern.
Klaus Holschemacher, Frank Dehn und Yvette Klug erklären in wissenschaftlicher und praktischer Hinsicht die Grundlagen des Faserbetons. Die unterschiedlichen Faserarten und Werkstoffeigenschaften sowie deren Wirkungsweise im Beton werden dargestellt. Spezifisch wird die Herstellung, Verarbeitung und Nachbehandlung von Stahlfaserbeton und Glasfaserbeton behandelt und das aktuelle technische und baupraktische Wissen aufbereitet. Abschließend wird auch der Einsatz von Fasern in Sonderbetonen, wie Leichtbeton, selbstverdichtender Beton, hochfester sowie duktiler Beton, behandelt.
Martin Empelmann, Manfred Teutsch und Marco Wichers befassen sich im Beitrag „Baukonstruktionen aus Faserbeton“ nach einer Einführung in die Faserarten und deren Eigenschaften mit den normativen Regelungen von Faserbeton. Das Hauptaugenmerk legen die Autoren auf die Anwendungen von Stahlfaserbeton für Rohre, Decken, Fundamente und Bodenplatten sowie Industriefußböden, Wände, schlaff bewehrte und vorgespannte Balken und Stützen. Im Tunnelbau wird Stahlfaserspritzbeton vielfältig eingesetzt – als Erstsicherung, bei den Innenschalen, aber auch bei Fertigteil-Tübbingen. Faserbetone haben sich auch bei Sanierungs- und Instandsetzungsarbeiten sowie in Verbindung mit Hochleistungsbetonen wirkungsvoll bewährt.
Manfred Teutsch, Udo Wiens und Christoph Alfes geben Erläuterungen zur neu erschienenen DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“. Wesentlicher Inhalt sind die Bemessungsgrundlagen der Tragfähigkeit für die Biegung mit und ohne Längskraft, für die Querkraft, für das Durchstanzen und die Nachweise der Gebrauchstauglichkeit in Ergänzung und Änderung zu DIN 1045-1. Der Teil 2 der Richtlinie gilt für die Herstellung von Stahlfaserbeton und beinhaltet Ergänzungen und Änderungen zu DIN EN 206-1 und DIN 1045-2.
Jörg Moersch und Jörg Haßhoff haben den Beitrag „Betonstahl und Spannstahl“ verfasst, in dem ausführlich die jeweiligen Produktgruppen vorgestellt werden unter Berücksichtigung der geltenden DIN- und EN-Normen sowie allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen.
Christoph Gehlen, Till Felix Mayer und Stefanie von Greve-Dierfeld beschreiben die Lebensdauerbemessung von Beton. Umfassend werden die Modelle der Karbonatisierung, der Chloriddiffusion und der Korrosion erläutert. Auf den Grundlagen der Probabilistik werden die Möglichkeiten der Bemessung in Bezug auf die Dauerhaftigkeit und damit Abschätzungen für die Lebensdauer von Beton aufgezeigt.
Bernd Hillemeier, Claus Flohrer, Jürgen Krell, Gabriele Marquardt, Jeanette Orlowsky, Michael Raupach, Karsten Schubert und Stephanie Schuler stellen in umfassender Weise die Instandsetzung und Erhaltung von Betonbauwerken dar. Die Normen, Richtlinien und Vorschriften zum Thema „Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen“, die den Stand der Technik und die allgemein anerkannten Regeln der Bautechnik widerspiegeln, werden aufgezeigt. Zukunftsgerichtet werden die wichtigsten Voraussetzungen für einen sorgfältigen Neubau mit 10 Regeln für guten Beton, statt nachträglicher Sanierung, vorgestellt. Dabei werden neben dem Beton auch die Kunststoffe detailliert behandelt. Die Angriffe auf Beton und die Schadensmechanismen werden bauchemisch beschrieben und deren Auswirkungen aufgezeigt. Das sorgfältige Vorgehen bei der Bestandsaufnahme und Schadensdiagnose mit den entsprechenden Prüfmethoden wird praxisbezogen dargestellt. Dabei werden neben den In-situ-Versuchen auch die verschiedenen Prüfverfahren im Labor beschrieben. Der Hauptteil behandelt die Instandsetzung von Beton- und Korrosionsschäden der Bewehrung. Detailliert werden die Maßnahmen mit ihren Anwendungsbereichen veranschaulicht. Ein eigener Abschnitt widmet sich den Sonderverfahren wie der Realkalisierung für den Korrosionsschutz der Bewehrung, der Realkalisierung des karbonatisierten Betons, dem kathodischen Korrosionsschutz, dem Faserspritzbeton als Instandsetzungsmaßnahme, der extern eingebauten Bewehrung und dem Glass-Lining – einer fugenlosen Beschichtung mit Dünnglas. Auch das Aufbringen von dünnen Schutz-, Dicht- und Verschleißschichten in Form von Feinkornbetonen wird kurz behandelt.
Der Abschnitt Normen und Regelwerke wird von Frank Fingerloos gestaltet. Dabei wird letztmalig die vollständige DIN-1045-Reihe vor der Einführung des Eurocodes 2 in Deutschland im Beton-Kalender abgedruckt und erläutert (inkl. Teil 100: Ziegeldecken). Auch die neue DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“, welche direkt Bezug auf die DIN 1045 nimmt, wird komplett abgedruckt. Mit DIN 19700 „Stauanlagen“ Teil 10: Gemeinsame Festlegungen und Teil 11: Talsperren werden relevante Regelwerke zu den Kapiteln über Talsperren und Kraftwerksbauten ergänzt.
Außerdem finden sich in diesem Kapitel die Listen der für den Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbau relevanten Baunormen und technischen Baubestimmungen, der aktuellen Richtlinien des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton und ein aktuelles Verzeichnis der Merkblätter des Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins. Neu ist ab diesem Beton-Kalender die Aufnahme eines weiteren Verzeichnisses mit den Richtlinien und Merkblättern der Österreichischen Vereinigung für Beton- und Bautechnik.
Der Beton-Kalender 2011 bietet wieder aktuelles Fachwissen, gebündelt mit den neuesten Entwicklungen im normativen Bereich. Die Herausgeber wünschen Freude beim Lesen und Erfolg bei der konstruktiven Umsetzung.
Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad Bergmeister, Wien
Dr.-Ing. Frank Fingerloos, Berlin
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Johann-Dietrich Wörner, Darmstadt
September 2010
Anschriften
1
Autoren
Anders, Steffen, Dr.-Ing.Bilfinger Berger AGZentrale TechnikCarl-Reiss-Platz 1–568165 Mannheim
Clauß, Frithjof, Dipl.-Ing.Technische Universität DarmstadtFachbereich Bauingenieurwesen und GeodäsieInstitut und Versuchsanstalt für GeotechnikPetersenstraße 1364287 Darmstadt
Göhlmann, Joachim, Dr.-Ing.grbv Ingenieure im Bauwesen GmbH & Co. KGExpo Plaza 1030539 Hannover
Griese, Robert, Dipl.-Ing.LPI Ingenieurgesellschaft mbHProf. Lohaus – Dr. PetersenNienburger Str. 530167 Hannover
Grünberg, Jürgen, Univ.-Prof. Dr.-Ing.Leibniz Universität HannoverFakultät für Bauingenieurwesen und GeodäsieInstitut für MassivbauAppelstraße 9A30167 Hannover
Katzenbach, Rolf, Prof. Dr.-Ing.Technische Universität DarmstadtFachbereich Bauingenieurwesen und GeodäsieInstitut und Versuchsanstalt für GeotechnikPetersenstraße 1364287 Darmstadt
Linse, Diethelm, Dr.-Ing.Dr. Linse Ingenieure GmbHKarlstraße 4680333 München
Lohaus, Ludger, Univ.-Prof. Dr.-Ing.Leibniz Universität HannoverInstitut für Baustoffe – IfBAppelstraße 9A30167 Hannover
Meiswinkel, Rüdiger, Dr.-Ing. habil.E. ON Kernkraft GmbHAbt. TTMTresckowstraße 530457 Hannover
Meyer, Julian, Dr.-Ing.Hochtief Construction AGConsult IKS EnergyLyoner Straße 2560528 Frankfurt/Main
Milow, BernhardDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Linder Höhe51147 Köln
Osterrieder, Peter, Prof. Dr.-Ing.BTU CottbusLehrstuhl Statik und DynamikKonrad-Wachsmann-Allee 203046 Cottbus
Pelikan, Bernhard, Ao. Univ. Prof. Dipl.-Ing.Dr. nat. techn.Universität für Bodenkultur WienInstitut für Wasserwirtschaft, Hydrologie undKonstruktiven WasserbauMuthgasse 18A-1190 WienÖsterreich
Petersen, Lasse, Dr.-Ing.LPI Ingenieurgesellschaft mbHNienburger Straße 530167 Hannover
Schnell, Jürgen, Prof. Dr.-Ing.Technische Universität KaiserslauternFB A/RU/BI, FG Massivbau undBaukonstruktionPaul-Ehrlich-Straße, Geb. 1467663 Kaiserslautern
Simon, Marc, Dipl.-Ing. (FH)BTU CottbusLehrstuhl Statik und DynamikKonrad-Wachsmann-Allee 203046 Cottbus
Waberseck, Thomas, Dipl.-Ing.Technische Universität DarmstadtFachbereich Bauingenieurwesen und GeodäsieInstitut und Versuchsanstalt für GeotechnikPetersenstraße 1364287 Darmstadt
Wagner, Isabel M. Dipl.-Ing.Technische Universität DarmstadtFachbereich Bauingenieurwesen und GeodäsieInstitut und Versuchsanstalt für GeotechnikPetersenstraße 1364287 Darmstadt
Werner, Dieter, Dr.-Ing.ARCUS Planung + BeratungBauplanungsgesellschaft mbH CottbusVetschauer Straße 1303048 Cottbus
Wörner, Johann-Dietrich, Prof. Dr.-Ing.Dr. h.c. mult.Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Linder Höhe51147 Köln
Schriftleitung
Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad BergmeisterUniversität für Bodenkultur WienInstitut für Konstruktiven IngenieurbauPeter-Jordan-Straße 82, 1190 Wien
Dr.-Ing. Frank FingerloosDeutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V.Kurfürstenstraße 129, 10785 Berlin
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.Johann-Dietrich WörnerTechnische Universitat DarmstadtKarolinenplatz 5, 64289 Darmstadt
Verlag
Ernst & SohnVerlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KGRotherstraße 21, 10245 Berlinwww.ernst-und-sohn.de
Anschriften
2
Autoren
Alfes, Christoph, Dr.-Ing.Am Sittertzhof 19 b47906 Kempen
Dehn, Frank, Prof. Dr.-Ing.MFPA Leipzig GmbHHans-Weigel-Straße 2B04319 Leipzig
Empelmann, Martin, Prof. Dr.-Ing.Technische Universität BraunschweigiBMB – Fachgebiet MassivbauBeethovenstraße 5238106 Braunschweig
Falkner, Horst, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.IBF Dr. Falkner GmbHUntere Waldplätze 2170569 Stuttgart
Fingerloos, Frank, Dr.-Ing.Deutscher Beton-und Bautechnik-Verein E.V.Kurfürstenstraße 12910785 Berlin
Flohrer, Claus, Prof. Dipl.-Ing.HOCHTIEF ConsultMaterialsFarmstraße 91–9764546 Mörfelden-Walldorf
Gehlen, Christoph, Prof. Dr.-Ing.Technische Universität MünchenLehrstuhl für Baustoffkunde und WerkstoffprüfungBaumbachstraße 781245 München
von Greve-Dierfeld, Stefanie, Dipl.-Ing.Technische Universität Münchencbm – Centrum für Baustoffe und MaterialprüfungBaumbadstraße 781245 München
Grunert, Jens Peter, Dr.-Ing.IBF Dr. Falkner GmbHUntere Waldplätze 2170569 Stuttgart
Haßhoff, Jörg, Dipl.-Ing.Institut für Stahlbetonbewehrung e.V.Kaiserswerther Straße 13740474 Düsseldorf
Hillemeier, Bernd, Prof. Dr.-Ing.Technische Universität BerlinInstitut für BauingenieurwesenFG Baustoffe und BaustoffprüfungGustav-Meyer-Allee 2513355 Berlin
Holschemacher, Klaus, Prof. Dr.-Ing.HTWK LeipzigFakultät BauwesenKarl-Liebknecht-Straße 13204277 Leipzig
Klug, Yvette, Dipl.-Ing.HTWK LeipzigFakultät BauwesenKarl-Liebknecht-Straße 13204277 Leipzig
Krell, Jürgen, Dr.-Ing.krell-consultAm Strauch 8640723 Hilden
Marquardt, Gabriele, Dipl.-Ing.Technische Universität BerlinInstitut für BauingenieurwesenFG Baustoffe und BaustoffprüfungGustav-Meyer-Allee 2513355 Berlin
Mayer, Till Felix, Dr.-Ing.Ingenieurbüro Schießl Gehlen Sodeikat GmbHLandsberger Straße 37080687 München
Moersch, Jörg, Dr.-Ing.Institut für Stahlbetonbewehrung e.V.Kaiserswerther Straße 13740474 Düsseldorf
Orlowsky, Jeanette, Dipl.-Ing.RWTH AachenInstitut für BauforschungSchinkelstraße 352062 Aachen
Raupach, Michael, Prof. Dr.-Ing.RWTH AachenInstitut für BauforschungSchinkelstraße 352062 Aachen
Schubert, Karsten, Prof. Dr. rer. nat.Hochschule KarlsruheTechnik und WirtschaftFakultät Architektur und BauingenieurwesenMoltkestraße 3076133 Karlsruhe
Schuler, Stephanie, Dipl.-Ing.Technische Universität BerlinInstitut für BauingenieurwesenFG Baustoffe und BaustoffprüfungGustav-Meyer-Allee 2513355 Berlin
Teutsch, Manfred, Dr.-Ing.Technische Universität BraunschweigiBMB – Fachgebiet MassivbauBeethovenstraße 5238106 Braunschweig
Wichers, Marco, Dipl.-Ing.Technische Universität BraunschweigiBMB – Fachgebiet MassivbauBeethovenstraße 5238106 Braunschweig
Wiens, Udo, Dr.-Ing.Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e.V.Budapester Straße 3110787 Berlin
Schriftleitung
Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad BergmeisterUniversität für Bodenkultur WienInstitut für Konstruktiven IngenieurbauPeter-Jordan-Straße 82, 1190 Wien
Dr.-Ing. Frank FingerloosDeutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V.Kurfürstenstraße 129, 10785 Berlin
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.Johann-Dietrich WörnerTechnische Universität DarmstadtKarolinenplatz 5, 64289 Darmstadt
Verlag
Ernst & SohnVerlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KGRotherstraße 21, 10245 Berlinwww.ernst-und-sohn.de
Beiträge früherer Jahrgänge (1990–2010)
Eine vollständige Liste ist im Internet unter www.ernst-und-sohn.de recherchierbar.
* Ab dem 92. Jahrgang (2003) treten die Bandbezeichnungen 1 und 2 an die Stelle von Teil I und II.
IEnergie, Kraftwerksbau
Johann-Dietrich Wörner, DarmstadtBernhard Milow, Köln
1 Allgemeines
Die Entwicklung der Menschheit ist unmittelbar mit dem Bedarf an, beziehungsweise der Verfügbarkeit von Energie verbunden.
Aufgrund der Tatsache der Energieerhaltung ist es streng genommen falsch, von Energieverbrauch oder von Energieerzeugung zu sprechen, stattdessen geht es um die Wandlung einer Energieform in eine andere, sei es durch mechanische Arbeit, Induktion, Verbrennung oder andere chemische bzw. physikalische Vorgänge. Von den vielen unterschiedlichen Energieformen sind Wärme und Elektrizität im Zusammenhang mit Kraftwerksbau von besonderer Bedeutung: Wärme in verschiedenen Formen von Heizung bis hin zur Verbrennung in Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren war die Energieform, die die Industrialisierung maßgeblich voranbrachte, aber in zunehmendem Maße auch Fragen des Umweltschutzes stellte. Darüber hinaus ist der Transport von Wärme zwar prinzipiell möglich und wird z. B. bei Fernwarmeleitungen praktiziert, ist jedoch im Vergleich zur Elektrizität sehr aufwendig und verlustreich. Im Mittelpunkt der aktuellen Energiediskussion steht die Erzeugung und Verwendung elektrischen Stroms. Elektrizität nimmt eine zentrale Rolle ein, sei es bei der Beleuchtung, bei der Kommunikation, bei Klimageräten oder auch bei industriellen Prozessen. Selbst im Bereich der Mobilität, einer Thematik, in der fossile Ressourcen, insbesondere Öl und zunehmend auch Gas, bisher den Energiebedarf deckten, wird mit der Entwicklung elektrischer Antriebe zu Land, zu Wasser und sogar in der Luft ein neues Energiekapitel aufgeschlagen. Auch wenn die fossilen Rohstoffe, insbesondere Kohle, noch für einen relativ langen Zeitraum für die prognostizierte Nachfrage ausreichen, so wird die Forderung nach neuen Energiewandlungssystemen, insbesondere zur Erzeugung elektrischen Stroms, immer klarer. Der wesentliche Treiber für eine nachhaltige Energieversorgung ist weniger die Knappheit an Ressourcen, sondern in zunehmendem Maße die Klimaproblematik.
Der Beton-Kalender 2011 widmet sich daher insbesondere der Kraftwerkstechnik und dem Kraftwerksbau, die als Grundlage für die Verfügbarkeit von Elektrizität für ganz unterschiedliche Anwendungsbereiche gelten. Dieser Beitrag soll allgemeine Fragen der Energiepolitik und -technik beleuchten und somit die Basis für die technischen Beiträge dieses Beton-Kalenders legen.
2 Energiepolitik
Die Forderungen einer zukunftsorientierten Energiepolitik umfassen verschiedene Gesichtspunkte, die je nach individueller und politischer Positionierung mit verschiedenen Prioritäten versehen werden. Für die Realisierung einer nachhaltigen Entwicklung ist es essenziell, die verschiedenen Aspekte gleichzeitig in angemessener Weise zu berücksichtigen und nicht momentane Opportunitätsgedanken in den Vordergrund zu stellen.
Während in der Energieversorgung zunächst die Technik an sich und dann die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund stand, entwickelte sich durch mehr Umweltschutzgedanken und das wachsende Bedürfnis nach sicherer, zuverlässiger Energieversorgung das Zieldreieck der Energieversorgung mit den Elementen Ökologie, Ökonomie und Versorgungssicherheit. Die Weiterentwicklung unserer Gesellschaft erfordert, zukünftig die soziale Komponente verstärkt zu berücksichtigen, sodass heute von einem Zielviereck gesprochen werden kann und muss (Bild 1). Ohne die Akzeptanz der Bevölkerung kann der dringend erforderliche Umbau der Energieversorgung hin zu einem nachhaltigen System nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit vorangetrieben werden.
Das Ziel einer zuverlässigen, sicheren Energieversorgung erfordert die Entwicklung entsprechender Techniken, die sowohl den eigentlichen Energiewandlungsprozess als auch die Anpassung des Energieangebots an den Bedarf bzw. die Anpassung des Bedarfs an das verfügbare Energieangebot beinhaltet. Hier spielen Energiespeicher eine zunehmende Rolle; die bisher übliche Unterscheidung nach Grundlast- und Spitzenlastkraftwerken verliert an Bedeutung. Ziel ist die Sicherstellung nachfragegerechter, sicherer Energieversorgung zu jeder Zeit. Zudem spielt auch der Aspekt der Krisensicherheit eine wichtige Rolle.
Bild 1. Viereck moderner Energiepolitik
Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung ist ein Gebot, das individuell wie gesamtgesellschaftlich von Bedeutung ist. Der Einzelne sieht diesen Aspekt häufig genug auf der persönlichen Ebene als einen zentralen Punkt an, da er die begrenzten persönlich verfügbaren finanziellen Mittel nicht für Energie, verstanden als „Grundbedürfnis“, ausgeben möchte. Auf der volkswirtschaftlichen Ebene ist offensichtlich, dass zumindest längerfristig eine Volkswirtschaft nur dann keinen Schaden nimmt, wenn Energie insgesamt so günstig angeboten werden kann, dass insbesondere die energieintensiven Unternehmen nicht einen anderen Standort im hinsichtlich der Energiekosten günstigeren Ausland wählen. Kurzfristig höhere Preise können durchaus sinnvoll sein, wenn damit sichergestellt wird, dass sich zukünftig daraus ein Vorteil (z. B. in wirtschaftlicher Hinsicht) ergibt. Die Markteinführung neuer, nachhaltiger Technologien ist ein Beispiel hierfür, wenn absehbar die Schwelle der Wirtschaftlichkeit dieser Technologien erreicht und überwunden werden kann. Zudem sind Energiekosten nur ein Standortfaktor neben vielen anderen.
Ökologische Ziele sind mittlerweile selbstverständlicher Bestandteil moderner Energiepolitik, auch wenn sie hin und wieder als Widerspruch zu den eher kurzfristigen, wirtschaftlichen Anforderungen gesehen werden. Hier hat die Übernahme des aus der Forstwirtschaft entnommenen Konzepts der Nachhaltigkeit eine Brücke gebaut, da aktuelle Entscheidungen auch zukünftige Entwicklungen antizipieren müssen. Die Antizipation beinhaltet die verschiedenen Effekte und erreicht so eine Balance zwischen kurzfristigen, finanziellen Perspektiven und langfristigen Folgen, auch für die Umwelt. Gerade die Berücksichtigung umweltbezogener Gesichtspunkte hat auch zu einer bedeutenden Entwicklung der Technik geführt.
Das Ziel Gesellschaftliche Akzeptanz hat als vorerst letzter Baustein erst seit kurzem seinen angemessenen Platz in der Energiepolitik gefunden. Lange Zeit wurde gerade im Bereich der Energie das Primat des Fachwissens als alleinentscheidend definiert. Mit zunehmender Aufmerksamkeit der Gesellschaft für Umweltfragen hat auch die Energiepolitik ihren Platz in der allgemeinen gesellschaftlichen Diskussion gefunden. Gerade die Akzeptanz von Energietechniken wird für die Zukunft immer wichtiger. Heutzutage sind weder neue Kohlekraftwerke, noch Windparks oder auch Pipelines, die beispielsweise für den Transport von CO2 zu einer Speicherstätte erforderlich sind, ohne die Akzeptanz der Bevölkerung möglich. Aus diesem Grund ist es notwendig, neben den technischen Entwicklungen, ihren ökologischen und ökonomischen Konsequenzen und Randbedingungen auch der gesellschaftspolitischen Dimension Aufmerksamkeit zu schenken.
3 Heutige Energieversorgung
Bevor man über die zukünftige Energieversorgung diskutieren kann, ist eine Analyse der derzeitigen Situation der Energie national wie international erforderlich. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die spezifischen Primärenergieverbräuche pro Kopf in ausgewählten Regionen.
Die Darstellung belegt, dass weltweit starke Unterschiede im Primärenergieverbrauch festzustellen sind. Dabei ist der Lebensstandard nur einer von mehreren Faktoren, wie der Vergleich USA/EU beispielhaft belegt: Bei annähernd gleichem Lebensstandard unterscheidet sich der Verbrauch von Primärenergie um mehr als den Faktor 2. Deutschland liegt innerhalb der EU bei einem Vergleich des Primärenergieverbrauchs deutlich über dem Durchschnitt. Weitere Einflussparameter sind geografische, aber auch gesellschaftliche Aspekte. Eine genauere Betrachtung des Energiebedarfs und der zugehörigen Energiearten muss zwangsläufig regionalisiert erfolgen, da beispielsweise der Wärmeenergiebedarf ganz wesentlich von den klimatischen Bedingungen abhängt. Die entsprechende Aufteilung des Endenergiebedarfs, also die Verwendung der Energie, für die Bundesrepublik Deutschland ist in Tabelle 2 angegeben.
Allein diese Tabelle belegt die Bedeutung von den drei großen Anwendungssektoren Verkehr, Raumund Prozesswärme. Beleuchtung ist demgegenüber eine Größenordnung kleiner. Politische Aktionen wie das Verbot der matten Glühbirnen sind an sich genommen aus energetischer Sicht zwar sinnvoll, ihre Bedeutung wird aber stark relativiert, wenn man die Zahlen von Tabelle 2 zugrunde legt. Der Wert für Informations- und Kommunikationstechniken steigt mit zunehmender „Computerisierung“ unserer Gesellschaft rasch an. Die Computerindustrie hat die Bedeutung des Energiebedarfs jedoch bereits erkannt und entwickelt zunehmend auch Computersysteme mit besonderer Energieeffizienz. Für die drei Hauptenergiebedarfsträger Verkehr, Prozesswärme und Hauswärme gilt es sowohl zentral wie dezentral, alle Anstrengungen zu unternehmen, um den Bedarf signifikant zu reduzieren. Dieses Gebot ist sowohl mit der Frage der beschränkten Ressourcen als auch mit der Wirkung auf unser Klima zu formulieren. Unabhängig von der jeweiligen Energienutzung werden auf dem Weg der Wandlung Stoffe (z. B. CO2), Wärme, Larm etc. emittiert, die sich negativ auf das Klima und die Umgebung auswirken. Die gesamte Kette vom Ausgangsstoff bis zur Energienutzung und darüber hinaus bedarf der intensiven Betrachtung.
Tabelle 1. Primärenergieverbrauch pro Kopf 2006 (Quelle: US Energy Information Administration, Dez. 2008)
GJ/Kopf
D
188
EU
154
USA
353
Afrika
17
China
59
Welt
76
Tabelle 2. Endenergiebedarf in Deutschland nach Energiearten 2007 [6] (auf der Basis von Daten der AGEB, des BDEW und der TU München/IfE)
Prozent
PJ
Mechanische Energie
41,6
3571
– davon: Verkehr
29,8
2558
Raumwärme
26,1
2241
Prozesswärme
28,1
2412
Beleuchtung
2,4
206
IuK
1,8
155
Der Begriff des Energieverbrauchs ist im physikalischen Sinne nicht richtig, da Energie nicht verbraucht werden kann (Gesetz der Energieerhaltung), sondern nur entwertet. Verbraucht werden die eingesetzten Energieträger (konventionelle Energieträger).
Bild 2. Energieflussdiagramm für die Bundesrepublik Deutschland [6]
Tabelle 3. Anteil fossiler und nuklearer Energieträger 2007 (Quelle: IEA-Webseite, http://iea.org/stats/index.asp)
(Stromerzeugung aus Abfall nicht als fossil gerechnet)
Eingesetzte Energieträger
Die Energiewandlung geschieht durch verschiedene Prozesse, die zentral oder dezentral organisiert sein können. Eine besondere Rolle kommt in der Stromversorgung derzeit (noch) den zentralen Anlagen zu, da diese zur Sicherung der zuverlässigen Energieversorgung auf eine lange Tradition zurückblicken können und viele Prozesse einen größenabhängigen Wirkungsgrad aufweisen. Tabelle 3 gibt den Anteil der verschiedenen zentralen Kraftwerkstypen in verschiedenen Regionen der Welt wieder.
Zunehmend werden bei der Stromerzeugung auch dezentrale Anlagen eingesetzt, während bisher lediglich die Wärmeerzeugung bis auf den Maßstab einzelner Haushalte hinab verbreitet war. Kleine Blockheizkraftwerke, basierend auf Otto- oder Dieselmotoren, haben ihren Weg bereits gefunden, aktuelle Entwicklungen beschäftigen sich mit dem Einsatz der Brennstoffzelle und Hybridsystemen, bei der Brennstoffzellen und Mikrogasturbinen zur Erreichung hoher Wirkungsgrade gekoppelt werden (Bild 3).
Bild 3. Hybridkraftwerk Brennstoffzelle – Mikrogasturbine
Im Weiteren werden eher die zentralen Systeme betrachtet, da hier die baulichen Anforderungen starker im Mittelpunkt stehen.
4 Zukünftige Energieversorgung
Wie bereits dargestellt, ist der heutige Umgang mit Energie nicht nachhaltig. Hierzu tragen zwei wesentliche Aspekte bei: Einerseits werden globale Klimarisiken in Kauf genommen, die in ihren Auswirkungen schwer abzuschätzen sind, und andererseits werden endliche Ressourcen unwiederbringlich verbraucht. Es ist ein Gebot der Verantwortung gegenüber zukünftigen Generationen, die Energieversorgung und -nutzung so zu organisieren, dass wesentlich geringere Nachteile und Risiken damit verbunden sind.
Hierfür gibt es keine ideale Handlungslinie, mit der in kurzer Zeit alle energiepolitischen Ziele erreicht werden können. Uns steht weder ein „perfekter“ Kraftwerkstyp, noch ein „idealer“ Rohstofftyp noch eine hoch effiziente rechtliche oder ökonomische Maßnahme zur Verfügung, mit der das Energiesystem in kurzer Zeit nachhaltig gemacht werden kann. Es sind im Wesentlichen drei Handlungslinien, die parallel mit Konsequenz verfolgt werden müssen und die demnach auch die Energiepolitik auf dem Weg zur Nachhaltigkeit bestimmen werden:
In allen drei Handlungslinien sind Aktivitäten der Bauwirtschaft erforderlich: Beim Energiesparen kommt es ganz wesentlich auf die baulichen Konzepte an, die von Dämmmaßnahmen bis zu Passivhaus- bzw. Plus-Energiehauskonzepten, sowie Klimahauskonzepten für Wohn-, Geschäfts- und Industriebauten reichen. Die Modernisierung der Energiewandlung und die Erhöhung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen werden Kraftwerksneubauten in allen Leistungsklassen erfordern, aber auch umfassende Investitionen in die deutsche und europäische Energie-Infrastruktur. Ein Ausbau der Netze – Strom, aber auch Gas und Wärme – und insbesondere auch der Bau von Energiespeichern als zunehmend wichtigem Element des Energiesystems wird substanzielle bauliche Investitionen bedingen. Hiermit werden auch neue technische Anforderungen verbunden sein, die die Innovationskraft der Branche herausfordern.
Für Deutschland wurden Szenarien einer zukünftigen Energieversorgung vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Auftrag der Bundesregierung in einer Leitstudie entwickelt (Bild 4). Gegenstand der Untersuchung war die Frage, wie die gegenwärtig von der Politik bereits gesetzten energiepolitischen Ziele in Zukunft erreicht werden können.
Die Leitstudie ermittelt, wie das Ziel einer 80%igen CO2-Reduktion bis 2050 in Deutschland erreicht werden kann und mit welchen strukturellen und ökonomischenWirkungen hierbei zu rechnen ist. Das 80%-Ziel ergibt sich für alle Industriestaaten, wenn die weltweiten Emissionen so begrenzt werden sollen, dass die CO2-Konzentration in der Atmosphäre auf maximal 450 ppm ansteigt. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, müssen alle Möglichkeiten entlang der drei Handlungslinien genutzt werden: Eine starke Steigerung der Nutzungseffizienz, insbesondere im Wärmebereich, geht einher mit einer weiteren deutlichen Steigerung der Umwandlungseffizienz. Der Primärenergieverbrauch kann so auf ein Niveau von 58% des Wertes von 2005 gesenkt werden. Vom verbleibenden Bedarf an Strom können erneuerbare Energiequellen 2050 in einem intensiven Zusammenspiel mit Speichern und Lastmanagement etwa 85% decken, zudem decken sie etwa die Hälfte des Wärmebedarfs und etwa 30% des Bedarfs im Verkehr. Die relative Bedeutung von Strom gegenüber Wärme und Kraftstoffen wird deutlich zunehmen, was die Nutzung erneuerbarer Energiequellen erleichtert. Soweit noch Strom aus fossilen Energieträgern gewonnen wird, geschieht dies mit hohen Anteilen von Kraft-Wärme-Kopplung, also unter gleichzeitiger Erzeugung von Strom und Wärme und somit einer wesentlich besseren Ausnutzung der Brennstoffe. Bei den erneuerbaren Energien trägt in diesem Szenario der Ausbau der Windenergie gemeinsam mit der Solarenergie den größten Teil des Ausbaus, während die Bioenergie und die Geothermie mit kleineren Anteilen beitragen. Zur Solarenergie zählt auch ein relevanter Beitrag aus solarthermischen Kraftwerken in Südeuropa und Nordafrika.
Ökonomisch ermittelt die Studie die erforderlichen Investitionen wie auch die mittleren Bereitstellungskosten für Strom, Wärme und Kraftstoffe. Vor dem Hintergrund verschiedener Annahmen zur Preisentwicklung fossiler Energieträger können so die Differenzkosten ermittelt werden. Es zeigt sich, dass das Energiesystem dieser Struktur nach einer Phase von Mehrkosten bereits vor 2025 zu Einsparungen gegenüber einer Fortführung des Bisherigen führt und sich diese Einsparungen bis 2050 zu deutlichen Gesamtüberschüssen addieren.
Bild 4. Leitstudie 2009 für Deutschland [1]
5 Kraftwerkstypen/Energiewandlung
Allen Energiewandlungsverfahren ist gemeinsam, dass sie bauliche Anlagen benötigen, der jeweilige Aufwand ist jedoch sehr unterschiedlich.
Im Bereich der konventionellen Energieumwandlung geht es insbesondere um den Kraftwerksbau einschließlich der erforderlichen „Nebenbauwerke“, wie Turbinengebäude, Schaltanlagengebäude, Umspannanlagen und Hochspannungsmasten.
Auch die erneuerbaren Energien erfordern Bauwerke besonderer Art, wie z. B. Windkraftanlagen auf dem Land und off-shore, Solarthermietürme und Spiegelkonstruktionen, Biogasanlagen und Speicherbauwerke zur bedarfsgerechten Deckung des Energiebedarfs bei weitgehend volatiler Energiebereitstellung, z. B. durch die Abhängigkeit von Wind und Sonne.
Wichtig ist zunächst eine sehr grobe Klassifizierung entsprechend der Wirkweisen der verschiedenen Kraftwerkstypen.
Unter thermischen Kraftwerken versteht man Systeme, bei denen meist über einen Dampfkreisprozess thermische Energie in einer Turbine erst in mechanische Energie (Drehbewegung) und schließlich mittels eines Generators in Strom umgewandelt wird. Die thermische Energie kann teilweise (Abwärmenutzung in Kraft-Wäme-Kopplungsanlagen) oder vollständig (wärmegeführte Heizkraftwerke) auch für thermische Prozesse genutzt werden (Bild 5).
Kraft-Wärme-Kopplung ist eine sinnvolle Maßnahme, um den Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie deutlich zu erhöhen und so Primärenergie einzusparen. Alle Energiekonzepte für die Zukunft enthalten Kraft-Wärme-Kopplung als eine zentrale Komponente. Thermische Kraftwerke stellen heute den mit Abstand groäßten Anteil an der deutschen Kraftwerksleistung dar.
Zu den thermischen Kraftwerken gehoären insbesondere:
Je nach Konstruktion muss bei thermischen Kraftwerken ein Teil der Ausgangsenergie beim Wandlungsprozess als „Restwärme“ abgeführt werden. Dazu werden z. B. auch Kühltürme eingesetzt.
Für die Kraftwerke 1. bis 6. sind es Verbrennungsvorgange, d. h. chemische Oxidation, die als Wärmequelle dienen.
Bild 5. Prinzip thermischer Kraftwerke
Bei den Kernkraftwerken sind es Kernreaktionen, die auf der Grundlage der Kernspaltung bzw. Kernverschmelzung Waärme erzeugen.
Geothermische Kraftwerke nutzen die Wärme des Erdinneren, hervorgerufen durch Kernspaltungsvorgänge und gespeichert aus der Entstehung der Erde. Die Erde stellt ein enormes Wärmereservoir dar; die gespeicherte Energie betragt ca. 2,8 × 1024 kWh. Die Verfahren der Erdwärmenutzung sind insbesondere:
Solarthermische Kraftwerke nutzen die Wärmestrahlung der Sonne, die durch Fusionsvorgänge im Sonneninneren entsteht. Um die Solarstrahlung besser ausnutzen zu koännen, werden sogenannte Konzentratoren, Spiegel oder Linsen verwendet. Sie haben die Aufgabe, die einfallende Strahlung zu sammeln und an den Kollektor weiterzuleiten.
Eine weitere Form der Energiewandlung aus chemisch gespeicherter Energie stellt die Brennstoffzelle dar. Eine Brennstoffzelle liefert unmittelbar elektrische Energie, in der Regel durch kontrollierte Oxidation von Wasserstoff.
Bei den Wasserkraftwerken wird potenzielle Energie, d. h. Lageenergie in elektrischen Strom gewandelt. Pumpspeicherkraftwerke sind eine spezielle Form von Wasserkraftwerken mit einem besonders großen Hoähenunterschied, bei denen über die Verrichtung von Arbeit (elektrisches Hochpumpen von Wasser) Energie gespeichert und im Bedarfsfall wieder in Strom zuruäckgewandelt werden kann. Ähnliches gilt für Druckluftspeicherkraftwerke, bei denen Luft in unterirdischen Kavernen unter hohem Druck gespeichert wird.
Photovoltaik-Kraftwerke wandeln die Sonneneinstrahlung mittels Halbleitereffekt direkt in elektrische Energie um.
Bei den Windkraftwerken wird die in den bewegten Luftmassen vorhandene kinetische Energie in elektrischen Strom gewandelt oder z. B. zum direkten, mechanischen Antrieb von Pumpen verwendet. Während übliche Windkraftwerke den natuärlichen Wind ausnutzen, wird bei Aufwindkraftwerken die Tatsache genutzt, dass heiße Luft nach oben steigt. Die Luft wird durch Sonneneinstrahlung unter entsprechenden Konstruktionen erhitzt und treibt dann in einem Turm eine entsprechende Turbine an.
Insbesondere solarthermische, Photovoltaik- und Windkraftwerke sind direkt abhängig von der Verfügbarkeit der jeweiligen Ressource Solarstrahlung oder Wind. Um diese Systeme in großem Umfang in Energieversorgungsstrukturen einzubinden, sind neben einer intelligenten Steuerung und Verteilung („Smart Grid“), wirkungsvolle Energiespeicher erforderlich. Energiespeicher können als chemische (z. B. Batterie, Wasserstoff), physikalische (z. B. Wärmespeicher) oder mechanische (z. B. Pumpspeicher) Konzepte realisiert werden.
6 Besondere Aspekte verschiedener Kraftwerkstypen
Energiewandlung findet in der Natur in vielfältigster Form statt: Von der Photosynthese, die mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad arbeitet, da kaum evolutionärer Druck auf der Entwicklung höherer Effizienz lag, über die biologischen Vorgänge im Bereich der Fauna, elektrostatischer Entladung in der Atmosphäre bis hin zu den Kernspaltungsprozessen im Inneren unserer Erde und der Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne sind eine ganze Reihe von Energiewandlungsverfahren in der Natur zu beobachten. Eine Umsetzung in die „künstliche“, das soll heißen vom Menschen gezielt eingesetzte Technik ist nicht als „technische Homoäopathie“ realisierbar, sondern erfordert ein Denken in Szenarien, Risiken, Konsequenzen. Diese pauschale Aussage gilt bei den verschiedenen Verfahren mit unterschiedlicher Intensität und unterschiedlichen Erfolgsaussichten: Während man den Prozess der Photosynthese technisch sicherlich zu deutlich höherenWirkungsgraden als die Natur bringen kann, ist die Frage, ob die Fusion, die in den Sonnen seit Milliarden Jahren offensichtlich hervorragend funktioniert, auch im „kleinen Maßstab“ technisch umgesetzt werden kann, noch nicht endguältig geklärt. Die Forschungsarbeiten zur Realisierung eines Fusionsreaktors laufen weltweit auf Hochtouren und versprechen in ca. 50 Jahren den technischen Durchbruch für ein wirtschaftlich arbeitendes Kraftwerk erreichen zu koännen. Die Vorstellung, die Energiewandlung der Sonne im Kraftwerksmaßstab zu realisieren, ist Motivation für erhebliche Forschungsinvestitionen.
Bei Kernkraftwerken konventioneller und zukünftiger Bauarten kommt der Sicherheit wegen des Gefahrenpotenzials nuklearer Brennstoffe und Reaktionen und dem damit verbundenen Strahlenpotenzial besondere Bedeutung zu: Sowohl beim Kraftwerk selbst als auch beim Transport und bei der Lagerung der Kernbrennstoffe bedarf es besonderer Maßnahmen, um das technische Risiko, verstanden als Produkt von Eintrittswahrscheinlichkeit eines Bauteilversagens mit dem im Falle eines Schadens zu erwartenden Schadensumfang, so zu begrenzen, dass die technischen und gesellschaftlichen Erwartungen erfuällt werden. Die vergangenen 50 Jahre haben die Chancen, aber auch manche Risiken der friedlichen Nutzung der Kernenergie gezeigt.
Insbesondere die Tatsache, dass bei einem entsprechenden Unfall ein sehr großes Schadensausmaß erwartet werden muss, führt bei Kernkraftwerken zu besonderen Sicherheitsüberlegungen, die zwar in erster Linie die Anlagentechnik betreffen, aber auch auf die bauliche Durchbildung erheblichen Einfluss haben, wenn z. B. Flugzeugabsturz oder Kernschmelze zu postulieren sind. Immer wieder wurden und werden auch Anstrengungen unternommen, um inhärent sichere Kernkraftwerke zu entwickeln. Ein Schritt zur Gewährleistung inhärenter Sicherheit ist der negative Dampfblasenkoeffizient von Leichtwasserreaktoren, bei denen dasWasser sowohl der Wärmeübertrager als auch der Moderator ist: Bei Überhitzung reduziert sich die Moderatorwirkung durch das Verdampfen, die Kettenreaktion wird hierdurch gebremst. Auch bei zukünftigen Fusionsreaktoren sind derartige Sicherheitselemente integriert.
Aber auch andere Energiewandlungsmethoden sind hinsichtlich ihrer Konsequenzen besonders zu beachten: Kohle- und Ölkraftwerke stoßen nicht nur bisher in der Ökomasse gespeichertes CO2 aus, sondern verbrennen Rohstoffe, die auch fuär andere Anwendungen, z. B. zur Herstellung von Kunststoffen, von Bedeutung sind. Bei den Photovoltaikanlagen wird auf die Umweltrelevanz des Herstellungsprozesses und der verwendeten Materialien hingewiesen. An Windkraftwerken wird die optische Beeinträchtigung kritisiert, ein negativer Einfluss auf das Mikroklima ist bei dem bisherigen Umfang an Kraftwerken wohl auszuschließen. Die Argumentation und Suche nach negativen Folgen kann auf alle Kraftwerkstypen ausgedehnt werden, darf jedoch nicht als Pauschalkritik an der Technisierung unserer Gesellschaft, sondern als Aufruf zur gründlichen, systemischen Betrachtung aller Wandlungsformen verstanden werden.
Der Mensch, als Teil der Natur, verändert die Welt, so wie die Natur schon seit Entstehung der Erde eine ständige Veränderung realisiert hat. Diese Tatsache ist aber kein Freibrief, sondern Forderung nach verantwortlichem Handeln zur Absicherung des Lebensraums auf unserm Planeten. Betrachtet man die dünne Hülle um die Erde, in der für uns Leben ohne technische Hilfe problemlos möglich ist (weniger als 10 km, das entspricht ca. 1,6 %o des Erdradius), und berücksichtigt das fragile Gleichgewicht unserer Atmosphäre (allein die Neigung der Erdachse von 23,44 Grad entscheidet über Sommer und Winter), wird schnell klar, wie komplex die Gesamtaufgabe ist. Die Fragilität des Gesamtsystems kann auch am Gehalt von CO2 in der Atemluft abgelesen werden: Der Gehalt beträgt lediglich 0,039 %, zu Beginn der Industrialisierung lag er noch bei 0,028 %. Die Veränderung ist, absolut gesehen, sehr gering, hat jedoch schon jetzt die Bedeutung anthropogener Einflüsse eindrucksvoll demonstriert.
7 Bauwerke und Konstruktionen
Aufbauend auf der Vielfalt verschiedener Kraftwerkstypen ergibt sich eine sehr große Anzahl zum Teil sehr unterschiedlicher baulicher Konstruktionen, um den besonderen Anforderungen gerecht zu werden.
Besondere Bauwerke des Kraftwerksbaus sind z. B.
Kesselgebäude (Kohle, Gas, Öl, Kernenergie)
Die Kesselgebaude für Kohle-, Gas- und Ölkraftwerke bestehen in der Regel aus Stahlbeton- und Stahlkonstruktionen. Die Höhe variiert je nach Leistung und beträgt bis 80 m. Die Konstruktionen sind im Wesentlichen von der Anlagentechnik dominiert, die durch die zahlreichen Rohrleitungen gekennzeichnet ist. Die Hülle der Kesselhäuser bilden heute in der Regel mit Trapezblech verkleidete Stahlblechkassetten, die die Installation der Anlagentechnik ermöglichen. Im Sockelbereich werden Fertigbetonteile eingesetzt (Bild 6).
Bild 6. Kesselgebäude Kohlekraftwerk (Quelle: RWE)
Bei Kernkraftwerken unterscheidet man verschiedene Bauarten – im Wesentlichen werden heute weltweit Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren eingesetzt. Aufgrund der unterschiedlichen Technik der beiden Reaktortypen sind auch die Konstruktionen unterschiedlich. Von zentraler Bedeutung sind neben den Anforderungen der Steuerung durch sog. Steuerstäbe, die von oben oder unten in das Reaktordruckgefäß eingeführt werden und dadurch die Gesamtkonstruktion beeinflussen, die Bemühungen, einen sicheren Einschluss auch für extreme Situationen zu gewährleisten. Unmittelbar um das Reaktordruckgefäß sind massive Stahlbetonwände als biologischer Schild angeordnet. Zur sicheren Beherrschung von hohen Innendrücken wurde bei den großen deutschen Druckwasserreaktoren ein kugelförmiges Stahlcontainment errichtet. Den Abschluss nach außen bildet eine Stahlbetonhülle, die insbesondere auch extremen Einwirkungen von außen, wie z. B. Flugzeugabsturz standhalten soll. Diese Hülle hat eine Wanddicke von bis zu 2 m (Bild 7).
Die internen Anlagen werden durch entsprechende Befestigungssysteme an den verschiedenen Stahlbetonbauteilen verankert. Zwischen der Stahlkugel und der äußeren Betonhülle ist bei den Druckwasserreaktoren, die in der Bundesrepublik gebaut wurden, ein Zwischenraum angeordnet, der mit einem permanenten Unterdruck beaufschlagt wird. In der DDR wurde zuletzt eine Verbundbauweise entwickelt, bei der die Stahlhülle und die Stahlbetonkonstruktion miteinander durch Dübel fest verbunden wurden. Besondere Aufmerksamkeit muss den Rohrleitungen etc. gewidmet werden, die die Stahlkugel und die äuere Hülle durchdringen, um z. B. den Heißdampf zum Turbinengebäude zu befördern. In diese Kategorie gehören auch die verschiedenen Schleusensysteme, die für Personen und Maschinenteile die möglichst emissionsfreie Verbindung zwischen Innen und Außen gewährleisten.
Allen Kessel- und Reaktorgebäude ist gemein, dass der Wartung und dem Austausch von Maschinenbauteilen schon bei der Errichtung große Bedeutung zugemessen wird, Krankonstruktionen etc. sind daher selbstverständlich.
Turmbauwerke (Konzentrierende Solarenergieanlagen, Abluftkamine)
Nicht nur die Systeme der konzentrierenden Solarkraftwerke, sondern auch die Gas-, Öl- und Kohlekraftwerke und auch die Kernkraftwerke benoätigen turmartige Bauwerke, die unterschiedlichen Zwecken dienen. Wahrend bei Solarkraftwerken die Türme die „Receiver“ beherbergen, in denen die konzentrierte Solarstrahlung zur Erhitzung von Wasser oder zur Unterstützung chemischer Reaktionen genutzt wird (Bild 8), dienen die turmartigen Bauwerke bei Gas-, Öl-, Kohle- und Kernkraftwerken der gezielten Abgabe von Rauchgasen oder Abluft. Mit zunehmenden ökologischen Anforderungen werden immer weniger giftige oder belastete Gase emittiert, wodurch auch die Bedeutung der Kamine zuruäckgegangen ist.
Bild 7. Reaktorgebäude eines Druckwasserreaktors – Beispiel (Quelle: RWE)
Bild 8. Turm eines Solarkraftwerks (Plataforma Solar de Almeria)
Kühltürme (thermische Kraftwerke)
Die thermischen Kraftwerke bedürfen zur Ge-währleistung eines Kreisprozesses der Abführung von Restwärme nach der Beaufschlagung der Turbinen. Diese Abwärme kann zum gewissen Teil als Fernwärme genutzt oder durch unmittelbare Nutzung eines Flusses abgeführt werden. Beiden Methoden sind je nach Situation, z. B. maximal zulässige Erwärmung des Flusswassers, enge Grenzen gesetzt, sodass man schon früh spezielle Kühltürme entwickelt und gebaut hat. Die modernen Naturzugkühltürme sind bis 200 m hoch und bestehen aus einer dünnen, doppeltgekrümmten Stahlbetonschale. (Eine Sonderkonstruktion war der Seilnetzkühlturm des Hochtemperaturreaktors in Schmehausen). Die Wanddicke nimmt von unten nach oben ab, am oberen Ende ist ein Versteifungsring ausgeführt, der lokales Beulen der Schale verhindert (Bild 9). In den Kohlekraftwerken wird der Kühlturm häufig auch im Zusammenhang mit der Abgasreinigung zur Emission der Rauchgase genutzt.
Kühlwassereinlafbawerke
Die Nutzung von natürlichen Gewässern zur Kühlung erfordert spezielle Einlaufbauwerke, die mehrere Funktionen erfüllen müssen. Zentraler Punkt ist die sichere Aufnahme und Weiterleitung des Wassers, auch wenn im Gewässer eventuell Treibmaterial vorhanden ist. Die Konstruktion aus Stahlbeton ist strömungstechnisch optimiert (Bild 10).
Turbinengebäude
Bei thermischen Kraftwerken wird der im Kesselbzw. Reaktorgebäude, Solarturm oder anderem System erzeugte Dampf genutzt, um über Turbinen in kinetische Energie und schließlich durch Generatoren in Elektrizität gewandelt zu werden. Je nach Größe sind die dafür erforderlichen baulichen Maßnahmen sehr unterschiedlich:
Liegt der Schwerpunkt zunächst in der Sicherstellung der Funktion und sich daraus ableitenden Strukturen, z. B. Turbinentisch, so sind je nach Bauart des Kraftwerks weitere Aspekte zu beachten. Beispielsweise werden die Turbinen von Siedewasserreaktoren mit dem Dampf beaufschlagt, der in unmittelbarem Kontakt mit den Brennelementen steht. Daraus ergeben sich zusätzliche Anforderungen des Strahlenschutzes. Auch dem Thema Berstschutz kommt bei größeren Anlagen eine besondere Bedeutung zu, um im Falle eines Versagens das Schadensausmaß zu begrenzen. Das Äußere eines Turbinengebäudes ist ein „unspektakulares“ Stahlbetonbauwerk, das einer Hallenkonstruktion entspricht. Für Wartungsarbeiten werden Krankonstruktionen eingeplant.
Druckspeicher
Unter Druckspeichern werden sehr unterschiedliche Konstruktionen zusammengefasst: Da sind auf der einen Seite die speziellen Druckspeicher, die Teil des Kreislaufs bei einem Druckwasserreaktor sind und kurzfristige Druckschwankungen ausgleichen und auf der anderen Seite Einrichtungen, die als temporäre Speicher bei volatilen Energiewandlungsprozessen eingesetzt werden. Druckspeicher der ersten Gattung werden üblicherweise als Stahlbehalter ausgeführt, während bei der zweiten Art verschiedene Bauweisen bis hin zur Nutzung unterirdischer Hohlräume zur Ausführung kommen.
Druckschacht und Druckleitungen
Insbesondere bei den Wasserkraftwerken müssen größere Volumina unter Druck transportiert werden. Dazu werden bauliche Anlagen erforderlich, die neben den Druckverhältnissen auch den besonderen Anforderungen der Dauerhaftigkeit entsprechen müssen.
Der Triebwasserweg bei Wasserkraftwerken kann als ein offenes Gerinne, ein Freispiegel- oder Druckstollen, eine Freispiegel- oder Druckrohrleitung ausgebildet werden. Der Querschnitt wird nach hydraulischen, bautechnisch-ökonomischen sowie eingeschränkt auch ökologischen Kriterien festgelegt. Das Wasser wird häufig in Druckrohrleitungen zum Turbinenhaus geführt. Druckrohrleitungen können in Stahl, Stahl- und Spannbeton, GFK, Kunststoff und Holz hergestellt werden. Sofern die örtlichen Gegebenheiten es ermöglichen, werden die Druckleitungen bei Anlagen im Gebirge direkt im Fels ohne zusätzliche Auskleidung ausgeführt.
Bild 9. Naturzugkühlturm – Beispiel (Quelle: RWE)
Bild 10. Einlaufbauwerk – Beispiel (Quelle: RWE)
Thermische Speicher
Ähnlich wie bei den Druckspeichern für volatile Energiewandlungsprozesse dienen thermische Speicher der Bevorratung von Energie bis zur bedarfsgerechten Weiterleitung. Ein typisches Beispiel sind die thermischen Speicher in Verbindung mit Solarenergie. Dabei wird die Sonneneinstrahlung nur zu einem Teil direkt in elektrische Energie gewandelt, der Rest wird thermisch gespeichert. Neben der rein thermischen Energiespeicherung werden auch energieintensive Phasenwechsel zur effizienten Speicherung genutzt. Als thermische Speicher kommen sowohl thermisch isolierte Tanks mit entsprechender Füllung (z. B. Sole) oder auchMassivspeicher aus Beton zur Anwendung.
Tanks (Wasser, Öl, Gas, Wasserstoff)
Tanks/Behälter spielen im Kraftwerksbau vor allem als Speicher für flüssige oder gasförmige Stoffe eine wichtige Rolle. Primär handelt es sich um Schalentragwerke, meistens um Rotationsschalen. Die vielfach aus Kreiszylindern und/oder Kegelschalen zusammengesetzten Tragwerke müssen auf ihre Wechselwirkung zwischen dem Behälterinhalt und dem Behälterbaustoff speziell betrachtet werden.
Tanks/Behälter kommen im Kraftwerksbau in ganz unterschiedlichen Anwendungen und Größen zum Einsatz. Die Anwendungsbreite reicht vom Kraftstoffspeicher für Notstromaggregate bis zur Speicherung von Wasserstoff als im Kraftwerk durch Elektrolyse oder thermochemischer Verfahren gewonnenen Energieträger. In konventionellen Kraftwerken werden Wassertanks zur Sicherstellung des Betriebs erforderlich, Kernkraftwerke verfügen über Wassertanks, um auch im Falle eines Lecks die Wärme über einen bestimmten Zeitraum sicher abführen zu können (Notspeisung).
Die Bewertung der Behälterbaustoffe kann mit den wichtigsten drei Funktionen erfolgen:
Bei Ausführungen aus Stahlbeton/Spannbeton unterscheidet man insbesondere
Rohrleitungen
Innerhalb aller Kraftwerke sind Rohrleitungen zum Transport verschiedener Medien von zentraler Bedeutung: Öl, Gas, Wasser unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlichen Drucks werden in Rohrleitungen transportiert. Die Rohrleitungen werden meist aus Metall – Stahl oder Edelstahl – sowie in zunehmendem Maße auch aus GFK hergestellt und mit der Konstruktion über unterschiedlich aufwendige Befestigungen verbunden. Neben den Einwirkungen auf Rohrleitungen, wie z. B. erdbebeninduzierte Schwingungen können von den Rohrleitungen auch besondere Lasten auf die Konstruktion wirken, insbesondere wenn auch lokales Rohrleitungsversagen nicht ausgeschlossen werden kann.
Speicherbecken
Speicherbecken sind typische Bauwerke der Wasserkrafttechnologie: Sie dienen der Speicherung von Wasser zur bedarfsgerechten Elektrizitätserzeugung. Speicherbecken werden meist unter möglichst weitreichender Ausnutzung geografischer Gegebenheiten geplant und ausgeführt. Die eigentlichen baulichen Maßnahmen beschränken sich dann auf die Einlaufbauwerke und geografieabhängige Ergänzungen, um ein möglichst großes Speichervolumen sicherzustellen.
Wehr- und Sperrenbauwerke (Laufwasserkraftwerke, Gezeitenkraftwerke)
Auch Wehr- und Sperrenbauwerke sind Elemente der Wasserkrafttechnologie.
Die Wehrbauwerke werden vom anströmenden Wasser senkrecht als Plattentragwerke belastet. Sie durchqueren meistens einen Flussquerschnitt und dienen zur Retention, Dosierung oder Umleitung von Wasser.
Die platten- oder schalenartigen Sperrenbauwerke dienen vorwiegend zurWasserspeicherung. Durch die Talsperren wird ein gesamtes Tal abgesperrt. Die Höhe der Talsperre wird durch das Volumen des gewünschten Stauraums bzw. des zu speichernden Wasservolumens bestimmt. Die wesentlichen Bedingungen bei der Errichtung einer Talsperre sind die geotechnischen, geografischen und geologischen Gegebenheiten, die Tragfähigkeit, die innere und äußere Standsicherheit und die Dichtheit.
Die Staumauern gliedern sich in
Zwischen den genannten Formen gibt es Übergangsformen, wie z. B. Bogengewichtsmauern (Bild 13) oder Bogenmauern mit aufgesetzter Gewichtsmauer. Gewichtsstaumauern gehören zu den größten erforderlichen Betonkubaturen.
Bild 11. Gewichtsstaumauer
Bild 12. Bogenstaumauer
Bild 13. Bogengewichtsstaumauer
Staudämme werden nach Art der verwendeten Dichtungsmaterialien als Dämme mit natürlicher Dichtung und Dämme mit künstlicher Dichtung unterschieden.
8 Einwirkungen
Die Palette der bei der Berechnung von Kraftwerksbauten zu berücksichtigenden Einwirkungen reicht von mechanischen Einwirkungen aller Art und Temperaturbeanspruchungen bis hin zu Strahlungseinwirkung:
Die „üblichen“ Einwirkungen sind den bekannten Regelwerken, insbesondere der DIN-1055-Reihe zu entnehmen, die besonderen Einwirkungen sind in speziellen Empfehlungen und Festlegungen, z. B. für kerntechnische Anlagen die „KTASachstandsberichten, zusammengefasst.
9 Literatur
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[10] Niemann, H-J.: Windlasten für turmartige Bauwerke nach DIN 1055-4 Neu. In: Beton-Kalender 2006, Teil 1, S. 363–406.
[11] Katzenbach, R.; Boled-Mekasha, G.; Wachter, St.: Gründung turmartiger Bauwerke. In: Beton- Kalender 2006, Teil 1, S. 407–468.
[12] Motzko, Ch.: Baubetriebliche Aspekte beim Bau turmartiger Bauwerke. In: Beton-Kalender 2006, Teil 1, S. 469–517.
[13] Krätzig, W. B.; Harte, R.; Lohaus, L.; Wittek, U.: Naturzugkühltürme. In: Beton-Kalender 2007, Teil 2, S. 231–322.
[14] Bergmeister, K.; Suda, J.; Hübl, J.; Rudolf- Miklau, F.: Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren. In: Beton-Kalender 2008, Teil 2, S. 91–289.
[15] Ebeling, K; Lohmeyer,G.: Weiße Wannen im Hochbau. In: Beton-Kalender 2010, Teil 2, S. 137–191.
IIWindenergieanlagen in Stahlbeton- und Spannbetonbauweise
Jürgen Grünberg, HamburgJoachim Göhlmann, Hannover
1 Allgemeines
Die Windindustrie in Deutschland nimmt bei der Entwicklung und Herstellung von Windenergieanlagen (WEA) weltweit eine herausragende Stellung ein. Derzeit ist Deutschland der größte Windenergiemarkt der Welt. Bisher wurden in Deutschland über 21.000 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von ca. 25.000 MW installiert. Der jährliche Zuwachs beträgt derzeit ca. 2.000 MW [10]. Die Entwicklung geht im Binnenland zu leistungsstärkeren Anlagen mit über 3 MW pro Anlage und Turmhöhen von über 140 m.1)
Die Anzahl von lukrativen Standorten an Land (Onshore) wird jedoch geringer. Daher ist in den nächsten Jahren die Errichtung von Windenergieanlagen auf offener See (Offshore) geplant. Diese Offshore-Parks sollen in der Nord- und Ostsee errichtet werden und den Anteil der regenerativen Energien bei der Stromerzeugung deutlich erhöhen. Das mittelfristige Ziel ist es, in der Nord- und Ostsee Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 3.000 MW zu installieren. Bis 2030 sollen Offshore-Windenergieanlagen mit rund 20.000 bis 25.000 MW Gesamtleitung installiert sein [80].
In Bild 1 ist das Ergebnis einer Studie vom Deutschen Windenergie-Institut dargestellt, welches die jährliche installierte Windenergieleistung pro Jahr in Deutschland seit 1990 aufzeigt und die Entwicklung bis 2030 prognostiziert. Demnach wird der Rückgang von an Land installierten Anlagen durch die zu erwartende Entwicklung von Offshore-Parks ausgeglichen und durch das Repowering von Onshore-Anlagen zu einer Verdopplung der jährlichen installierten Leistung bis zum Jahre 2020 führen.
Die Türme für WEA werden Onshore überwiegend als Stahlrohrtürme oder Spannbetontürme mit interner oder externer Vorspannung ausgeführt. Vereinzelt werden auch Stahlgittermasten errichtet. Die Spannbetontürme werden sowohl in Ortbeton- als auch in Fertigteilbauweise hergestellt. In den letzten Jahren hat sich dabei besonders für Anlagen der Multi-Megawattklasse die hybride Turmkonstruktion, bestehend aus einem Spannbetonschaft mit weiterführendem Stahlsegment, als eine sehr wirtschaftliche Lösung etabliert. Die Wahl der geeigneten Turmkonstruktion wird durch die Standortbedingungen (Herstellung, Transport, Montage etc.) bestimmt. Bild 2 zeigt typische Türme für Onshore-Windenergieanlagen. Für die Gründung von Onshore-Windenergieanlagen kommen sowohl Flachgründungen als auch Tiefgründungen zum Einsatz. Durch Bodenverbesserungen können unzureichende Baugrundeigenschaften für Flachgründungen verbessert werden [1, 68]. Als Tiefgründungen werden häufig Rammpfähle aus Beton oder Stahlrohre mit entsprechenden Pfahlfußausbildungen eingesetzt.
In der deutschen Nord- und Ostsee sind bislang etwa 25 Windparks in der 12-Meilenzone und der ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) bei Wassertiefen bis zu 45 m genehmigt. Den besseren Windverhältnissen auf See steht ein erhöhter technischer Aufwand bei der Tragkonstruktion und der Herstellung bzw. Montage der Anlage gegenüber [81]. Für die Wahl einer geeigneten Offshore-Tragkonstruktion sind neben der Wassertiefe besonders die Seegangs- und Strömungsbedingungen sowie die vorhandenen Bodenverhältnisse entscheidend. Betonkonstruktionen können dabei küstennah (Nearshore) und bei großen Wassertiefen als schwimmfähige Schwergewichtsfundamente wirtschaftlich realisiert werden, vgl. [64]. Diese werden z. B. im Dock gefertigt, an den endgültigen Standort eingeschwommen und dort abgesenkt. Es können auch aufgelöste Strebenkonstruktionen aus vorgespanntem hochfesten Beton zum Einsatz kommen. Eine Übersicht von derzeit diskutierten Offshore-Gründungskonzepten wird in Abschnitt 5 gegeben.
Bild 1. Installierte Windenergieleistung pro Jahr in Deutschland [54]
Bild 2. Übersicht häufiger Onshore-Turmkonstruktionen für WEA
Insgesamt besteht in den verschiedenen Teilgebieten, die bei der Planung und dem Entwurf sowie bei der Umsetzung von Windenergieanlagen betroffen sind, hoher Forschungsbedarf. An der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg und der Leibniz Universität Hannover ist daher seit dem Jahr 2003 das Zentrum für Windenergieforschung ForWind (www.forwind.de) eingerichtet worden, in dem Ingenieure aus den verschiedenen Fachrichtungen auf dem Gebiet der Windenergie forschen. Das Zentrum soll maßgebende Forschungsaktivitäten bündeln und wird vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur gefördert. Die bautechnische Forschung in der Offshore-Windenergie hat an der Universität Hannover bereits im Jahr 2000 mit dem vom Bundesministerium für Umwelt geförderten Gemeinschaftsprojekt der Arbeitsgruppe GIGAWIND (www.gigawind.de) begonnen. Die Forschungsaktivitäten gliedern sich dabei in die drei Themenbereiche Einwirkungen aus Wind und Welle, Bemessung der Tragstruktur mit Gründung und umwelttechnische Aspekte. GIGAWIND alpha ventus ist ein assoziiertes Projekt der Forschungsinitiative RAVE (Research at Alpha Ventus) und hat damit Zugriff auf ein umfangreiches Messprogramm im Testfeld Alpha Ventus, dem ersten deutschen Windpark auf hoher See. Auf europäischer Ebene engagiert sich die Universität Hannover in der European Academy of Wind Energy (www.eawe.org). Diese verfolgt das Ziel, die Forschung und Entwicklung sowie die Ausbildung von Doktoranden im Bereich der Windenergie in den verschiedenen europäischen Ländern zu fördern.
In den nachfolgenden Kapiteln werden die Grundlagen für Planung, Entwurf, Berechnung und Konstruktion von Turmkonstruktionen mit dem besonderen Fokus auf Windenergieanlagen behandelt.
Diese Grundlagen gelten zu erheblichen Anteilen auch für die statischen und konstruktiven Anforderungen an andere turmartige Bauwerke, wie z. B.:
Näheres hierzu siehe Beton-Kalender 2006, Teil 1, S. 103 ff. [43].
2 Einwirkungen auf Windenergieanlagen
2.1 Ständige Einwirkungen
Die ständigen Einwirkungen beinhalten neben den typischen Eigengewichtslasten der Anlage (Rotor und Gondel) und dem Konstruktionseigengewicht (Turm und Gründung) auch weitere Lasten, z. B. aus den Turminneneinbauten (Kabel, Zwischenplattformen etc.) sowie aus weiteren elektrischen Einheiten, wie z. B. Trafos und Lüftungssysteme.
Bei Offshore-Anlagen treten zusätzlich Eigengewichtslasten, z. B. infolge einer äußeren Plattform, des Bootsanlegers oder des kathodischen Korrosionsschutzes auf.
Insbesondere für die dynamische Analyse müssen die Massen der einzelnen Komponenten und Bauteile bekannt sein und bei den Untersuchungen genau berücksichtigt werden.
2.2 Anlagenbetrieb (Rotor und Gondel)
Die Einwirkungen aus dem Anlagenbetrieb werden durch numerische Simulationen ermittelt (s. auch Abschn. 4.9.1). Hierzu werden neben unterschiedlichen Windlastmodellen und ggf. der Überlagerung von Wellenbeanspruchungen auch besondere Betriebssituationen, wie z. B. Start und Stoppvorgänge, erfasst.
Die zu untersuchenden Lastfallkombinationen sind den gültigen Vorschriften und Richtlinien zu entnehmen, wie z. B. für Onshore-Anlagen der DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen [77], siehe 4.5.3, und für Offshore-Anlagen der DIN EN 61400-3 [26]. Zudem sind auch in den Richtlinien einzelner Zertifizierer die zu untersuchenden Lastfallkombinationen definiert, wie z. B. in der GL-Guideline [37], siehe 4.6.4.
Anmerkung:
Die OWEA-GL-Guideline [37] baut auf „Rules and Guidelines, IV Industrial Services – 1 Guideline for the Certification of Wind Turbines“ aus den Jahren 2003/04 auf, die inzwischen in revidierter Fassung im Juli 2010 herausgegeben wurden.
2.3 Windlasten
2.3.1 Windlasten für landseitige Windenergieanlagen (LWEA)
Nach DIN 1055-4 [14] werden die Umweltbedingungen für Deutschland (einschließlich der Deutschen Bucht) in vier Windzonen klassifiziert (Bild 3).
Die Bezugswerte (vref; qref) der Tabelle gelten für
Zwischen den Referenzwerten der Windgeschwindigkeit vref und dem Geschwindigkeitsdruck qref besteht folgender Zusammenhang:
Für Türme sollten ausschließlich die Referenzstaudrücke für die Geländekategorien II (Binnenland) bzw. I (Windzone 4 unmittelbar an der Küste) angesetzt werden. Günstigere Geländekategorien (III und höher) kommen nicht in Betracht, da sich die unterschiedlichen Bodenrauigkeiten mit zunehmender Höhe weniger auswirken.
Daher sollten auch die in DIN 1055-4 [14] für Bauwerke bis 50 m Höhe möglichen Mischprofile nicht angewendet werden (s. auch BK 2006 [43]).
Vor der Einführung von DIN 1055-4 [14] wurden die Windlasten für turmartige Bauwerke nach DIN 1056 [17] bzw. den Anhängen A zu DIN 4131 [18] oder DIN 4228 [20] bestimmt. Im Beton-Kalender 2006 [43] werden die Windlasten nach alten Normen und DIN 1055-4 [14] gegenübergestellt.
Bild 3. Windzonen nach DIN 1055-4 [14]
Tabelle 1. Windbedingungen landseitiger Windenergieanlagen (LWEA) in der Geländekategorie II nach [14]
Windlasten nach DIBt-Richtlinie
Nach DIN 1055-4 gelten folgende Grundparameter (s. Bild 4 und Tabelle 1):
Zusatzparameter (DIBt-Rili [77]):
