Wasserkraft auch ein Therma im Bereich der Erneurbaren Energien so Rolf Hinrichs von der EEV AG aus Göttingen

Wasserkraft

Seit dem Atomunglück von Fukushima ist die Energiewende nicht nur wieder vermehrt auf die politische Agenda gerückt, sondern auch in das Bewusstsein der Öffentlichkeit. Das Ziel ist es, bis 2020 alle Atomkraftwerke stillzulegen und den deutschen Energiebedarf ausschließlich über regenerative Alternativen abzuwickeln. Für solche Pläne eignen sich unterschiedliche Methoden. Eine von ihnen ist die Wasserkraft. In einigen Ländern werden große Anteile des Energiebedarfs über Wasserkraft produziert, während die Verwendung der Kraftwerke in Deutschland noch in den Kinderschuhen steckt.

Als Wasserkraftwerk werden alle Kraftwerke bezeichnet, die dazu in der Lage sind, mithilfe von Wasser Strom herzustellen. Dabei wird zwischen verschiedenen Kraftwerken differenziert. So existieren zum Beispiel Laufwasserkraftwerke, Speicherkraftwerke, Gezeitenkraftwerke oder Wellenkraftwerke. Unabhängig von ihrem Aufbau lässt sich die Funktionsweise der verschiedenen Kraftwerke stets miteinander vergleichen. Wasserkraftwerke gelten darüber hinaus als sauber und in der Energieversorgung als effizient. Neben zahlreichen Vorteilen lassen sich auch einige Nachteile erkennen. Europäische Nachbarn zeigen jedoch, dass es durchaus möglich ist, Wasserkraftwerke in die Energieversorgung zu integrieren, ohne Angst vor Stromengpässen haben zu müssen.

Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Die Funktionsweise der verschiedenen Kraftwerke beruht darauf, dass das Wasser aus einer bestimmten Höhe Richtung Boden fällt. Zunächst werden große Wassermengen künstlich zurückgehalten. Dafür kommt zum Beispiel ein Staudamm zum Einsatz. Sobald das Wasser den Abgrund hinunterpirscht, erhöht sich die Fließgeschwindigkeit. Mit einer größeren Fließgeschwindigkeit geht auch eine verbesserte Energiegewinnung einher. Das herunterströmende Wasser stößt auf eine Turbine oder ein Wasserrad und treibt dieses an. Es kommt zu einer Drehbewegung. Durch die Drehbewegung kann der angeschlossene Generator arbeiten. Auf diese Weise entsteht aufgrund eines Wasserkraftwerks Elektrizität. Damit die gewonnene Energie in das Mittel- oder Hochspannungsnetzwerk eingespeist werden kann, verfügen viele Kraftwerke über ein Umspannwerk.

Der Effizienzgrad eines Wasserkraftwerks kann auf bis zu 90 Prozent steigen. Kohlekraftwerke hingegen erreichen einen Grad von ungefähr 45 Prozent. Während in Deutschland vor allem Pumpspeicherkraftwerke verbreitet sind, können auf internationaler Ebene vermehrt Laufkraftwerke gefunden werden.

Welche Arten von Wasserkraftwerken existieren?

Wasserkraftwerke werden auf verschiedenen Ebenen voneinander unterschieden. Grundsätzlich existieren zunächst Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke. Laufwasserwerken gelingt die Regulierung des aufgestauten Wassers nur eingeschränkt. Damit ist eine direkte Beeinflussung nicht möglich. Speicherkraftwerke können die Energie hingegen steuern, welche als Speicher im Rahmen von Seen oder Teichen vorliegt. In der Regel kommt bei einem Speicherkraftwerk eine künstliche Barriere zum Einsatz, zum Beispiel in Form eines Staudamms oder einer Staumauer. Nur selten eignen sich natürliche Gewässer für ein Speicherkraftwerk.

Einteilung aufgrund von Nutzgefällen

Weiterhin werden Wasserkraftwerke abhängig von ihrem Nutzgefälle differenziert. Dabei existieren Niederdruckkraftwerke, Mitteldruckkraftwerke und Hochdruckkraftwerke. Als Nutzgefälle selber wird die Distanz zwischen dem Wasserspiegel bezeichnet, der sich oberhalb der Turbine befinden und jenem, der unterhalb der Turbine gefunden werden kann.

1. Niederdruckkraftwerk
Wasserkraftanlagen deren Fallhöhe ungefähr 15 Meter beträgt, gehören zur Kategorie der Niederdruckkraftwerke. In der Regel lassen sich Niederdruckkraftwerke in einem Fluss lokalisieren, wo sie sich etwa im Mittellauf des Gewässers befinden. Als Turbine kommt eine Durchströmturbine oder Kaplanturbine in Frage. Bei der Kaplanturbine erinnert das Laufrad an einen Propeller, wie er bei Schiffen montiert wird. Im Rahmen eines Niederdruckkraftwerks kann es sich um ein Gezeitenkraftwerk, Wellenkraftwerk, Flusskraftwerk oder Ausleitungskraftwerk handeln. Neben der Herstellung von Energie dient ein solches Wasserkraftwerk unter Umständen auch einer Verbesserung des Hochwasserschutzes.

2. Mitteldruckkraftwerke
Mitteldruckkraftwerke entstehen dann, wenn die Fallhöhe zwischen 25 Metern und 40 Metern liegt. Der Übergang zwischen Niederdruck- und Mitteldruckkraftwerk sowie Mitteldruck- und Hochdruckkraftwerk lässt sich jedoch als fließend beschreiben. Ein Mitteldruckkraftwerk benötigt in der Regel eine Talsperre. Diese fungiert als Speicherkraftwerk. Dabei kann der durchschnittliche Wasserdurchsatz meistens nur mithilfe einer Bewirtschaftung des Speichers realisiert werden. Vor dem Bau eines Mitteldruckkraftwerks müssen Fragen geklärt werden, die sich um Trinkwasserversorgung, Hochwasserschutz und Erholungswirkung drehen. Als Mitteldruckkraftwerke können Flusskraftwerke und Speicherkraftwerke verwendet werden. Bei der Turbine handelt es sich in der Regel um eine Francis-Turbine. Selten lässt sich eine Kaplan-Turbine verwenden. Mitteldruckkraftwerke kommen für die Ermöglichung von Grundlast und Mittellast zum Einsatz. Die Grundlast stellt jene Belastung dar, die im Laufe eines Tages nicht unterboten wird. Als Mittellast wird der Strom bezeichnet, welcher zusätzlich zur Grundlast benötigt wird.

3. Hochdruckkraftwerke
Ein Hochdruckkraftwerk kann nur dann realisiert werden, wenn die Fallhöhe mindestens 250 Meter beträgt. Um eine solche Fallhöhe zu ermöglichen, muss das Wasserkraftwerk oftmals im Mittel- und Hochgebirge gebaut werden. Als Stau empfehlen sich Talsperren, Staumauern oder ein Staudamm. Auf diese Weise lässt sich ein hoher Wasseranteil ein Jahr über speichern. Es entsteht ein kontinuierlich verfügbarer Energiespeicher. Damit eignen sich Hochdruckkraftwerke zum Ausgleich von Spitzenstromlasten. Ihr Potential wird an dem zeitlich beschränkten erhöhten Bedarf angepasst. Sobald ein Hochdruckkraftwerk aktiviert ist, geraten sehr große Mengen an Wasser in Bewegung, was aus ökologischer Sicht kritisch betrachtet werden muss. Um das Unterwasser nicht unnötig zu belasten, kann die Wasserabgabe zum Beispiel durch ein Rückhaltebecken reguliert und gesteuert werden. Weil bei einem Hochwasserdruckkraftwerk eine sehr große Kraft auf die Turbine trifft, eignen sich hier ausschließlich Francis- und Pelton- Turbinen.

Differenzierung nach Wasserkraftwerkstypen

Wasserkraftwerke produzieren alle Strom. Dabei findet die Herstellung jedoch unter verschiedenen Bedingungen statt. Deswegen müssen Wasserkraftwerke anhand spezifischer Merkmale in Typen eingeteilt werden.

1. Laufwasserkraftwerke
Ein Laufwasserkraftwerk produziert Strom, indem das Wasser in einem Fluss zunächst gestaut wird. Anschließend trifft das abfließende Wasser auf einen Generator und erzeugt Strom.

2. Speicherkraftwerk
Ein Speicherkraftwerk ermöglicht vor allem die Überwindung von einem spontanen Spitzenbedarf an Elektrizität. Das Wasser wird über einen bestimmten Zeitraum gespeichert. Dabei kann es sich um Wochen, aber auch mehrere Monate handeln. Das Speicherkraftwerk wird in der Regel erst bei Bedarf aktiviert.

3. Pumpspeicherkraftwerk
In Deutschland können vor allem Pumpspeicherkraftwerke gefunden werden. Diese nutzen überflüssigen Strom, um Wasser in eine höhere Lage des Stausees zu transportieren. Auf diese Weise lässt sich der Spitzenbedarf an Strom erfüllen. Im Gegensatz zu den anderen Wasserkraftwerken gelingt dem Pumpspeicherkraftwerk eine wirtschaftlich relevante Speicherung der gewonnenen Elektrizität.

4. Kavernenkraftwerk
In einem Kavernenkraftwerk kommen Hohlräume zum Einsatz, die durch den Menschen geschaffen werden. Diese eignen sich für die Unterbringung mechanischer Komponenten oder als Energiespeicher. Ein Kavernenkraftwerk gilt als landschaftlich unauffällig.

5. Gezeitenkraftwerk
Ein Gezeitenkraftwerk lässt sich nur in einigen Orten installieren. Es basiert vor allem auf dem Wechsel von Ebbe und Flut, welche zur Produktion von Energie genutzt werden.

6. Wellenkraftwerk
Ein Wellenkraftwerk benötigt wie das Gezeitenkraftwerk das Meer. Im Gegensatz zum Gezeitenkraftwerk wird es jedoch in dem Gewässer selbst aktiv, indem der Strom aus den Bewegungen des Meeres, den Wellen, gewonnen wird.

7. Meeresströmungskraftwerk
Ein Meeresströmungskraftwerk arbeitet mit der Energie, welche durch eine Meeresströmung entsteht. Dabei benötigt das Kraftwerk keinen Stau. Stattdessen befindet sich die Turbine in der Strömung, indem sie mithilfe eines Masts befestigt wird.

8. Gletscherkraftwerk
Die Arbeit des Gletscherkraftwerks basiert auf schmelzenden Gletschern. Das Wasser wird über Rohre weitergeleitet und produziert schließlich Energie in einem Krafthaus.

Wasserkraftwerke weisen eine erhebliche Varianz auf. Nicht jedes Kraftwerk eignet sich für jedes Gewässer. Für eine effiziente Nutzung des Wasserkraftwerks ist somit eine gründliche Planung der Konstruktion notwendig.

Welche Vorteile hat ein Wasserkraftwerk?

Wasserkraftwerke gehören zu den regenerativen Energien. Damit lassen sich Wasserkraftwerke als CO2-neutral oder CO2-frei beschreiben, wodurch sie nicht zum Klimawandel beitragen. Die Stromproduktion findet schonend statt, ohne dass giftige Substanzen zum Einsatz kommen. Es werden keine bestimmten Bedingungen wie Sonne oder Wind benötigt, um mit Wasserkraftwerken Elektrizität zu produzieren, es handelt sich um eine kontinuierliche Energiegewinnung. Darüber hinaus befinden sich in den Kraftwerken bestimmte Rechen. Diese sind dazu in der Lage, Müll von Wasser zu trennen, sodass das Gewässer sich reinigen lässt. Das Wasser kann eingeschränkt reguliert werden, zum Beispiel um Hochwasser oder andere Abweichungen zu vermeiden.

Welche Nachteile hat ein Wasserkraftwerk?

Eine große Konstruktion wie ein Wasserkraftwerk stört das empfindliche Gleichgewicht des Gewässers: Flora und Fauna werden unter Umständen negativ beeinflusst. Insbesondere für Fische besteht die Gefahr, dass sie in die Turbinen geraten und auf diese Weise sterben. Eine ungünstige Lage des Wasserkraftwerks führt dazu, dass Fische ihre Laichplätze nicht erreichen können, wodurch die Population stark bedroht wird. Darüber hinaus kann der Damm unter Umständen brechen. Vor allem bei großen Staudämmen entwickeln sich manchmal Versandungen. Diese sind für einen Verlust der Staukapazität verantwortlich. Ein Staudamm kann zudem in einem Austrocknen von ehemals fruchtbaren Landschaften resultieren. Daraus entstehen wiederum weitere landwirtschaftliche Konsequenzen.

Ökonomische Relevanz der Wasserkraftwerke

2012 wurden weltweit 3700 Gigawattstunden Strom durch Wasserkraftwerke hergestellt. Am Weltbedarf gemessen liegt die Versorgung durch Wasserkraftwerke bei 16,5 Prozent. Im Rahmen regenerativer Energien entfallen 2/3 des erneuerbar produzierten Stroms auf Wasserkraftwerke. In Norwegen wird beinahe der gesamte Strombedarf mit Wasserkraftwerken gedeckt, in Brasilien liegt der Anteil bei 80 Prozent, in Österreich bei 55 Prozent und in der Schweiz bei ungefähr 60 Prozent. Weil die Kosten für ein Wasserkraftwerk enorm sind, werden diese so konstruiert, dass sie eine lange Lebenserwartung aufweisen. Dennoch können Wasserkraftwerke erst dann von der unbegrenzt zur Verfügung stehenden Ressource Wasserkraft profitieren, wenn die Investition abgedeckt ist. Weil keine spezifischen Bedingungen erfüllt werden müssen zur Stromproduktion mit Wasserkraftwerken, gelten diese im Rahmen regenerativer Energien als besonders zuverlässig.

Geschichte der Wasserkraftwerke

Die Idee des Wasserkraftwerks ist keine neue. Stattdessen konnte nachgewiesen werden, dass Wasserräder bereits vor ungefähr 5000 Jahren in China zum Einsatz kamen. Im weiteren Verlauf verbreitete sich das Wasserrad, bis es in Rom und Griechenland unter anderem zum Mahlen von Getreide verwendet wurde. 1767 entstand ein Wasserrad aus Gusseisen. Hergestellt wurde es von John Smeaton. 1880 war schließlich die Geburtsstunde des Wasserkraftwerks zur Produktion von Strom. Die erste Anlage wurde im Norden Englands errichtet. 1896 wurde ein Großwasserkraftwerk in den Niagarafällen gebaut. Am Anfang des 20. Jahrhunderts stieg das internationale Interesse an Wasserkraftwerken, konnten größere Turbinen den steigenden Strombedarf besser decken. Das größte Wasserkraftwerk der Welt lässt sich in China lokalisieren. Es handelt sich um die Drei-Schluchten-Talsperre. Der Bau begann 1993 im Dezember und wurde 2008 fertig gestellt. Mittlerweile sind alle 26 Turbinen aktiv und produzieren 18.200 MW.

 

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