Erneuerbare Energien

Wasserkraft

Wasserkraft bezeichnet die Strömungsenergie von fließendem Wasser, welche über geeignete Maschinen in mechanische Energie umgesetzt wird. In früheren Zeiten wurde diese mechanische Energie direkt genutzt (z.B. in Mühlen), heute überwiegt die weitere Umwandlung zu elektrischer Energie.

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Begriff

Die Nutzung der Wasserkraft ist das Ausnutzen der potenziellen Energie (Lageenergie) des Wassers im Schwerefeld der Erde, die beim Nach-unten-Fließen in Strömungsenergie (Bewegungsenergie des Wassers) umgewandelt wird.

Die Wasserkraft gehört zu den regenerativen oder erneuerbaren Energiequellen.

Mit den gewaltigen Wasservorräten unserer Erde könnte man ca. 60 Mal unseren Mond füllen. Diese enorme Wassermenge befindet sich infolge der eingestrahlten Sonnenenergie in einem ständigen Kreislauf.

Die Kraft des fließenden Wassers haben die Menschen von den ersten Hochkulturen an genutzt. Mittlerweile geht es kaum noch um mechanisch angetriebene Wasserpumpen oder Mühlen, sondern vielmehr um die Stromerzeugung im Grundlastbetrieb. Die Technik der in Wasserkraftwerken eingesetzten Turbinen hat sich kontinuierlich weiterentwickelt. Der Wirkungsgrad der Energiewandlung liegt heute bei über 90 %. Für die verschiedenen Einsatzgebiete wurden spezialisierte Wasserturbinen entwickelt.

Wasser wird durch Verdunstung, den Wind (beides von der Sonne verursachte Phänomene) und schließlich den Regen in eine Hochlage gebracht, aus der es dann abfließt und dabei eine Nutzung durch den Menschen mittels Wasserkraftmaschinen erlaubt.

Die meisten modernen Wasserkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die Wasserräder, die früher die Mühlen antrieben. Dabei wird die Kraft des fließenden Wassers ausgenutzt, um ein Rad anzutreiben, das wiederum einen Generator antreibt. Wasserkraft bezeichnet die Umwandlung kinetischer und potenzieller Energie von Wasser in elektrische Energie. Dies bleibt jedoch nicht ohne Auswirkungen für die so genutzten Flüsse. Der erforderliche Ausbau und Aufstau hat für das Fließgewässer eine Reihe nachteiliger Folgen, die nur zum Teil ausgeglichen werden können. So bewirken beispielsweise die Begradigung und Befestigung der Ufer und die Veränderung der Wasserstände und der Strömungsverhältnisse erhebliche Änderungen in der Tier- und Pflanzenwelt des Gewässers und der Uferbereiche. Wanderbewegungen von Fischen werden ganz oder teilweise unterbrochen, der Schwebstoff- und Geschiebetransport im Gewässer wird gestört, d.h., es kommt zu Ablagerungen (Verschlammung) oberhalb und zu Eintiefungen unterhalb des Aufstaus. Dies führt zu einem Zielkonflikt zwischen Klimanutzen und Gewässerschutz. Dieser wird umso schärfer, je naturnäher das betroffene Fließgewässer ist bzw. war. In Zusammenhang mit Großprojekten zur Nutzung von Wasserkraft durch riesige Stauseen dürfen auch Klimaeinflüsse und tektonische Auswirkungen nicht unberücksichtigt bleiben.

Wasserkraft liefert knapp 18 % der weltweit erzeugten elektrischen Energie und liegt damit fast gleichauf mit der Kernkraft. Wasserkraft ist die einzige erneuerbare Energiequelle, die nennenswert zur Versorgung der Erdbevölkerung beiträgt (Sonne, Wind, Erdwärme und Biomasse zusammen rund 2 %).

Die Wasserkraft erzielt gleichzeitig Traumnoten in der Effizienz. Ihre Turbinen und Generatoren können bis zu 90 % der Energie, die im fließenden Wasser steckt, in elektrischen Strom umwandeln (zum Vergleich: Leichtwasser-Reaktoren: 33 %, Kohlekraftwerke: 40 %, moderne Erdgas-Kombikraftwerke: knapp 60 %).

Im Jahr 2004 wurden in Deutschland 21 TWh Strom aus Wasserkraft gewonnen.

Der Wasserkreislauf

Der Kreislauf des Wassers wird im Wesentlichen durch die Verdunstung aus den Weltmeeren und den Gewässern auf den Kontinenten gespeist. Dieses verdunstete Wasser wird als Wasserdampf innerhalb der Atmosphäre transportiert und schlägt sich anschließend z.B. als Schnee oder Regen nieder. Dabei regnet über dem Meer etwas weniger Wasser ab, als dort verdunstet. Es ergibt sich ein Nettoimport von Wasser aus den Meeren auf die Kontinente, durch den Schneefelder, Gletscher, Bäche, Flüsse, Seen und Grundwasservorkommen genährt werden.

Historie

Die Wasserkraft gehört zu den ältesten Energiequellen der Menschheit: Die Nutzung der Energie des aufgestauten oder fließenden Wassers mithilfe von Wasserrädern war schon im China des 3. Jahrhunderts v. Chr. üblich.

Die Römer nutzten Mühlen, die im Tiber verankert waren, um das Getreide zu mahlen, das Segelschiffe aus den Kolonien brachten.

Auch Staudämme bauten sie, ebenso wie die Araber, die damit Wasserräder für Sägemühlen betrieben. Später diente die Wasserkraft zum Betrieb von Hammerschmieden, Drahtziehereien, Gewürzstampfern und den Waldarbeitern zum Transport von Holz ins Tal, bis die aufblühende Industrie des 19. Jahrhunderts zu Wasserturbinen überging.

Wasserkraftwerk

Ein Wasserkraftwerk oder eine Wasserkraftanlage ist ein Elektrizitätswerk, das die mechanische Energie des Wassers in elektrische Energie umwandelt und elektrischen Strom erzeugt. Damit wird die Wasserkraft für den Menschen nutzbar gemacht.

Das Wasser wird im Wasserkraftwerk durch eine Turbine geleitet, wodurch die Schaufelräder der Turbine in Drehbewegung versetzt werden. Diese wird direkt oder über ein Getriebe an den Stromgenerator weitergeleitet

Bauarten von Wasserkraftwerken

Laufwasserkraftwerk
Bei einem Laufwasserkraftwerk wird ein Fluss gestaut und mit dem abfließenden Wasser elektrischer Strom produziert.
Ein Laufwasserkraftwerk, Laufkraftwerk oder auch Flusskraftwerk ist ein Wasserkraftwerk und dient zur Stromerzeugung. Dabei wird die Wasserkraft von Flüssen und Bächen in elektrischen Strom umgewandelt.
Das Flusswasser wird auf eine Turbine geleitet, die ihrerseits den Stromgenerator antreibt. Um den Druck auf die Turbine zu erhöhen, wird mittels einer Wehranlage das Flusswasser aufgestaut. Dadurch entsteht auf der flussaufwärts gelegenen Seite der Wehranlage ein Stausee, der sogenannte Rückstauraum. Die Fallhöhe (= Höhenunterschied zwischen Oberwasser und Unterwasser) und der Wasserdurchfluss bestimmen die Nennleistung und das Arbeitsvermögen des Kraftwerks.
Für den Antrieb des Generators werden gewöhnlich Kaplan-, Rohr- oder Durchströmturbinen verwendet.

Laufwasserkraftwerk Hengstey an der Stadtgrenze von Herdecke und Hagen, im Vordergrund das Walzenstauwehr (Quelle: http://www.wikipedia.de/)
Speicherkraftwerk
Bei einem Speicherkraftwerk wird das Wasser über einen Zeitraum (mehrere Stunden bis mehrere Monate) gespeichert, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen.
Ein Speicherkraftwerk nutzt die durch einen natürlichen Höhenunterschied vorhandene potenzielle Energie des Wassers. Das Oberbecken ist ein erhöht gelegener, natürlicher See oder künstlicher Stausee, der durch einen natürlichen Zufluss gespeist wird. Das Wasser wird eine Zeit lang gespeichert und bei Bedarf durch Rohrleitungen über ein Gefälle auf tiefer gelegene Turbinen und anschließend in das Unterbecken geleitet. Das Unterbecken ist oft selbst ein Stausee, der seinerseits wieder als Oberbecken für weitere Turbinen verwendet wird.
Je nach zufließender, d.h. nutzbarer Wassermenge und auch abhängig vom Bedarf, können Speicherkraftwerke als Tages-, Wochen- (für Bedarfsspitzen) oder Jahresspeicher genutzt werden.
Besonders in den Alpen, in denen die Nutzung verschiedener Formen der Wasserkraft traditionell und naturgemäß weit verbreitet ist, gibt es viele Speicherkraftwerke. In höheren Lagen fungieren sie häufig als Jahresspeicher, die bei relativ geringem Zufluss durch einen Bach dessen Wasser übers Sommerhalbjahr speichern, um schwerpunktmäßig im zwar schneereichen, aber regenarmen Winterhalbjahr Strom zu produzieren.

Rohrleitungen des Kraftwerks Walchensee (Quelle: http://www.wikipedia.de/)

Turbinenhalle des Kraftwerks Walchensee (Quelle: http://www.wikipedia.de/)
Pumpspeicherkraftwerk
Pumpspeicherkraftwerke, auch kurz „Pumpspeicherwerke" (PSW) genannt, sind Wasserkraftwerke, die zur Regelung des Stromnetzes eingesetzt werden. Da sie mit nur geringer Verzögerung sowohl elektrische Energie abgeben (Speicherbetrieb) als auch aufnehmen können (Pumpbetrieb), werden sie als sogenannte Regelenergie sowohl zum Abfangen von Bedarfsspitzen als auch von plötzlichen Verbrauchseinbrüchen eingesetzt. Dank ihrer so genannten Schwarzstartfähigkeit können Pumpspeicherkraftwerke bei totalen Stromausfällen zum Anfahren anderer Kraftwerke eingesetzt werden.
Da Pumpspeichereinrichtungen wie wiederaufladbare Batterien funktionieren, werden sie häufig auch als „überdimensionale Akkus" bezeichnet.
Der Anlagenaufbau von Pumpspeicherkraftwerken ähnelt prinzipiell dem von normalen Speicherkraftwerken. Im Unterschied zu diesen verfügen Pumpspeicherkraftwerke aber über keinen natürlichen Wasserzufluss in ihre Oberbecken und müssen daher das für den Betrieb nötige Wasser zuerst mithilfe von Pumpen in die Höhe bringen.
Zu Zeiten, in denen ein „Überschuss" an elektrischer Energie vorhanden ist (i. d. R. nachts), wird daher Wasser durch Rohrleitungen in ein hochgelegenes Speicherbecken befördert. Steigt der Energiebedarf in Starklastzeiten, wird das Wasser abgelassen und es treibt Turbinen, in der Regel Pelton-Turbinen oder Francis-Turbinen, an. Starklastzeiten, die von Pumpspeicherkraftwerken bedient werden, sind insbesondere mittags, bei bestimmten medialen Ereignissen wie Fußballspielen oder bei Unwettern, die mit plötzlicher Kälte oder Dunkelheit verbunden sind.
Die Leistung von Pumpspeicherwerken steht bei Bedarf innerhalb von Minuten zur Verfügung und kann in einem weiten Bereich flexibel geregelt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber konventionellen thermischen Kraftwerken, deren Leistung sich nur im Bereich von mehreren Stunden anpassen lässt.
Die Höhe der Kraftwerksleistung ist grundsätzlich abhängig von der verfügbaren Wassermenge und dem nutzbaren Höhenunterschied zwischen Oberbecken und Turbinenhaus. Vor allem in den Alpen mit ihren steilen Berghängen spielen daher sowohl Speicher- als auch Pumpspeicherkraftwerke eine große Rolle bei der Elektrizitätsversorgung.

Das Koepchenwerk am Hengsteysee Walchensee (Quelle: http://www.wikipedia.de/)
Kavernenkraftwerk
Ein Kavernenkraftwerk ist ein Wasserkraftwerk, bei dem die Maschinenanlagen (Maschinenhaus, Turbinen, Pumpen, Generatoren, Transformatoren usw.) in einem in den Fels gesprengten Hohlraum (Kaverne) eingebaut sind.
Die Wasserzuleitungen bzw. -ableitungen eines Kavernenkraftwerks verlaufen meist vollständig unterirdisch als Stollen im Fels oder als Rohrleitungen.
Diese Kraftwerksunterbringung wird meist dort gewählt, wo nicht genügend Platz zur Verfügung steht (in engen Tälern), oder aus Umweltschutzgründen, um das Landschaftsbild nicht zu beeinträchtigen.
Gezeitenkraftwerk
Ein Gezeitenkraftwerk ist ein Wasserkraftwerk, das die Energie des wechselnden Wasserpegels des Meeres, also des Tidenhubs zwischen Ebbe und Flut zur Produktion von elektrischem Strom nutzt.
Gezeitenkraftwerke werden an Meeresbuchten und in Ästuarien errichtet, die einen besonders hohen Tidenhub haben. Dazu wird die entsprechende Bucht durch einen Deich abgedämmt. Dadurch kann das Wasser der Tidenströme nur durch die Turbinen fließen. Da aufgrund von Flut und Ebbe die Gezeitenströme viermal am Tag die Richtung wechseln, müssen die Turbinen auf Zweirichtungsbetrieb eingestellt sein. Bei Flut strömt das Wasser durch die Durchlässe des Damms in das Becken (die Meeresbucht). Die in den Durchlässen installierten Turbinen werden angetrieben. Bei Ebbe erfolgt der Antrieb der Turbinen durch das abfließende Wasser. Zum Einsatz kommen so genannte Rohrturbinen (Kaplan-Turbinen). Für diese reicht bereits ein geringes Wassergefälle. Wird auf das Speicherbecken verzichtet, kann der gesamte Tidenhub des Gezeitenwechsels genutzt werden.
Gezeitenkraftwerke entnehmen ihre Energie letztlich der Erddrehung, d.h., sie bremsen diese minimal ab. Im Verhältnis zur gesamten Abbremsung durch die natürliche Gezeitenreibung fällt dies jedoch nicht ins Gewicht und die Erde hat wegen ihrer hohen Masse eine sehr hohe Drehenergie. Daher sind Gezeitenkraftwerke in ihren Auswirkungen der Nutzung von regenerativen Energien ähnlich.
Wellenkraftwerk
Wellenkraftwerke sind eine Form der Wasserkraftwerke. Sie nutzen die Wasserkraft der Meereswellen, um elektrischen Strom zu erzeugen.
Im Unterschied zum Gezeitenkraftwerk wird nicht der Tidenhub ausgenutzt, um die Energiedifferenz zwischen Ebbe und Flut zu nutzen, sondern die kontinuierliche Wellenbewegung.
Die Nutzung der Wellenenergie ist mit verschiedene Prinzipien möglich:

Nutzung der ein- und ausströmenden Luft in einer Kammer, in der sich der Wasserspiegel durch eine Verbindung zum Meer hebt und senkt, durch einen Windgenerator.
Nutzung der Relativbewegung von Schwimmkörpern zueinander oder zum Ufer. Die Bewegung wird dabei meist über hydraulische Systeme umgesetzt, die den Generator antreiben.
Nutzung der potenziellen Energie auflaufender Wellen auf eine Rampe (Wave Dragon).

Meeresströmungskraftwerk
Unter einem Meeresströmungskraftwerk versteht man ein Wasserkraftwerk, das aus der natürlichen Meeresströmung Elektrizität erzeugt.

Gletscherkraftwerk
Ein Gletscherkraftwerk ist ein Wasserkraftwerk und wird zur Stromerzeugung verwendet. Dabei wird ein Schmelzwassersee an seiner tiefsten Stelle angebohrt. Das Wasser wird durch eine Druckleitung zur Küste geleitet, wo die Wasserkraft mittels Turbinen und Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt wird.
Die Inlandseismasse von Grönland ist mit 2,4 Millionen km³ die zweitgrößte Eismasse der Welt. Schätzungen gehen davon aus, dass daraus jährlich 10.000 GWh Strom erzeugt werden könnten.

Zukunft

Für den Ausbau der Wasserkraft liegen die wichtigsten Potenziale im Ersatz und in der Modernisierung vorhandener Anlagen. Dabei sind die ökologischen Belange zu beachten. Eine Leistungssteigerung, verbunden mit der Verbesserung des gewässerökologischen Zustands, ist erklärtes Ziel der Bundesregierung.