Wasserkraftwerk

Der Ausbau von Energiequellen, die nachhaltig und umweltschonend Strom produzieren, ist eine der zentralen Säulen der Energiewende. Die Stromversorgung Deutschlands wird zunehmend grüner. Laut des Erneuerbare-Energien-Gesetzes ist es das Ziel, bis 2025 40 bis 45 % des Stroms mit Hilfe von erneuerbaren Energiequellen zu erzeugen. Im Folgenden wird erklärt, ob Wasserkraft dafür eine geeignete Methode ist, wie Wasserkraftwerke funktionieren und welche verschiedenen Arten von Wasserkraftwerken es gibt.

Ist Wasserkraft eine erneuerbare Energie?

Auch Wasserkraft gehört zu den erneuerbaren Energien. Erneuerbare Energien, auch regenerative Energien, sind Energiequellen, die nachhaltige Versorgung mit Energie gewähren. Erneuerbare Energiequellen stehen entweder unerschöpflich zur Verfügung oder regenerieren sich schnell wieder. Sie gewährleisten damit langfristig zuverlässige Versorgung mit Strom und sind umweltschonender als fossile Energieträger.

Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Ein Wasserkraftwerk nutzt die potentielle und die kinetische Energie des fließenden Wassers und wandelt diese in elektrische Energie zur Gewinnung von Strom um. Die potentielle Energie ist die Lageenergie eines Körpers. Um einen Körper anzuheben und in ein höheres Niveau zu versetzen, wird Hubarbeit verrichtet, die Energie benötigt. Die Lageenergie diese Körpers entspricht der aufgewendeten Hubarbeit. Fällt der Körper wieder, wird die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Kinetische Energie ist Energie, die ein Körper durch Bewegung freisetzt. Die dadurch freigesetzte Energiemenge ist abhängig von der Masse und Geschwindigkeit des bewegten Körpers. Beim Wasserkraftwerk ist die Energiemenge davon abhängig, wie viel Wasser wie schnell bewegt wird. Die Funktionsweise der verschiedenen Typen von Wasserkraftwerken unterscheidet sich darin, wodurch dem Wasser die kinetische Energie zugeführt wird. Bestandteil der meisten Wasserkraftwerke ist eine Stauanlage. Das Wasser im Wasserkraftwerk wird in einem Stauraum zurückgehalten. Dieser Stauraum ist höher gelegt, als der Rest der Wasserkraftanlage. Im Inneren der Wasserkraftanlage befindet sich eine Turbine. Wenn das Wasser abgelassen wird, fließt es auf diese Turbine zu und treibt sie an. Die Turbine dreht sich und setzt nun kinetische Energie frei. Die Turbine gibt ihre kinetische Energie an einen Generator weiter, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Auf diesem Weg gewinnt ein Wasserkraftwerk Strom.

Was gibt es für Wasserkraftwerke?

Wasserkraftwerke werden nach ihrer Fallhöhe eingeteilt. Die Fallhöhe, auch als Nutzgefälle bezeichnet, bezeichnet den Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel, der sich jeweils oberhalb und hinter der Turbine befindet.

Es gibt folgende Arten von Wasserkraftwerken:

  • Niederdruckkraftwerke
  • Mitteldruckkraftwerke
  • Hochdruckkraftwerke

Niederdruckkraftwerke

Merkmale der Niederdruckkraftwerke sind eine relativ geringe Fallhöhe von bis zu 15 m und ein großer Durchfluss. Sie werden im Mittellauf von Flüssen erbaut. Meistens werden sie als Laufwasserkraftwerke konzipiert. Niederdruckkraftwerke werden hauptsächlich für die Grundlastversorgung genutzt. Mithin ist es ihre Hauptaufgabe, die Leistung in einem Versorgungsgebiet zu gewinnen, die durchgehend benötigt wird. Am häufigsten werden für Niederdruckkraftwerke Kaplan-Turbinen zur Gewinnung von Strom eingesetzt.

Mitteldruckkraftwerke

Die Fallhöhe bei Mittelkraftwerken beträgt zwischen 15 m und 50 m. Diese Art Wasserkraftwerk wird meist im Zusammenhang mit einer Talsperre als Speicherkraftwerk oder an höheren Wehren als Laufwasserkraftwerk realisiert. Sie sind oft Bestandteil einer Mehrzweckanlage und dienen nicht nur der Gewinnung von Strom, sondern auch der Niedrigwasseraufhöhung, dem Hochwasserschutz, der Trinkwasserversorgung sowie der Erholung und Freizeit. Meist kommen bei Mitteldruckkraftwerken Francis-Turbinen zur Energiegewinnung zum Einsatz.

Hochdruckkraftwerke

Hochdruckkraftwerke weisen eine Fallhöhe von über 50 m bis zu 2000 m auf. Sie verfügen über einen relativ geringen Durchfluss. Ein Hochdruckkraftwerk liegt selten direkt an einer Talsperre. Diese Art Wasserkraftwerk ist mit Talsperren über Leitungssysteme in Form von Freispiegelleitungen oder Druckstollen verbunden Oft werden dabei Francis-Turbinen oder Pelton-Turbinen eingesetzt.

Die Arten von Wasserkraftwerken unterteilen sich weiterhin in die folgenden Wasserkraftwerkstypen:

  • Laufwasserkraftwerke
  • Speicherkraftwerke
  • Gezeitenkraftwerke
  • Pumpspeicherkraftwerke
  • Wellenkraftwerke

Laufwasserkraftwerke

Laufwasserkraftwerke sind der einfachste Typ einer Wasserkraftanlage. Sie nutzen die fließende Bewegung von Flüssen zur Stromgewinnung. Meist werden sie an Flüssen errichtet, die eine hohe Fließgeschwindigkeit und einen großen Wasserdurchfluss aufweisen. Sie bestehen in den meisten Fällen aus einer Staustufe innerhalb eines fließenden Gewässers, die durch einen Wehr gebildet wird. Laufwasserkraftwerke liefern rund um die Uhr Strom, weshalb sie für die Bereitstellung der Grundlast verwendet werden. Im Gegensatz zu einigen anderen Wasserkraftwerkstypen sind sie nicht durch den Menschen regulierbar. Die größten deutschen Laufwasserkraftwerke befinden sich am Rhein, an der Mosel, an der Donau, an der Isar, am Lech, an der Iller und am Inn.

Speicherkraftwerke

Speicherkraftwerke zählen zu den Mitteldruckkraftwerken und den Hochdruckkraftwerken. Ihre Leistung ist im Regelfall höher als die von Laufwasserkraftwerken. Sie sind gut regulierbar und arbeiten nur bei Bedarf. Sie sind innerhalb von Minuten einsatzbereit und haben im Vergleich zu Laufwasserkraftwerken den Vorteil, dass wenn sie nicht in Betrieb genommen werden, kein Wasser verloren geht. Sie sind für die Abdeckung der Spitzenlast, mithin bei kurzzeitig auftretender erhöhter Nachfrage nach Leistung im Stromnetz, zuständig. Speicherkraftwerke stauen Wasser in einem See oder einem Becken an. Besteht Strombedarf, wird das Wasser durch Röhren kontrolliert nach unten gelassen und potentielle Energie wird zu kinetischer Energie umgewandelt. Das Wasser wird zu den Turbinen geleitet und treibt sie an. Die Turbinen leiten die Energie an den Generator weiter. Danach wird das Wasser in einen See gelassen, der niedriger gelegen ist. Das bekannteste Speicherkraftwerk in Deutschland liegt am Kochelsee. Als Wasserspeicher dient dort der Walchensee.

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke sind eine abgewandelte Form von Speicherkraftwerken. Wenn durch das Pumpspeicherkraftwerk mehr Strom als angenommen gewonnen wird, wird die übrige elektrische Energie dazu genutzt, das Wasser von dem niedriger gelegenen See wieder in den höher gelegenen See gepumpt. Sie dienen genau wie Speicherkraftwerke zur Stromerzeugung, wenn erhöhte Nachfrage nach Strom besteht.

Gezeitenkraftwerke

Gezeitenkraftwerke haben eine ähnliche Funktionsweise wie Laufwasserkraftwerke. Sie nutzen jedoch die Bewegung, die Wasser bei Ebbe und Flut ausführt, um daraus Energie zu gewinnen. Das auflaufende und abfließende Wasser wird aufgestaut, bis auf einer Seite der Staumauer eine bestimmte Höhendifferenz des Wasserstandes erreicht ist. Anschließend fließt das Wasser durch die Turbine. Die Turbine in einem Gezeitenkraftwerk wird bei Flut in die eine, bei Ebbe in die andere Richtung angetrieben werden. Je stärker der Unterschied zwischen Ebbe und Flut dabei ist, desto mehr elektrische Energie kann gewonnen werden. Da Gezeitenkraftwerke aufgrund ihrer Abhängigkeit von Ebbe und Flut keine beständigen Kraftwerke zur Stromgewinnung sind, können sie nicht nur Gewinnung der Grundlast genutzt werden.

Wellenkraftwerke

Ein Wellenkraftwerk ist ein kleines Wasserkraftwerk auf dem Meer. Wellenkraftwerke nutzen die Energie der Wellenbewegung und gewinnen daraus Strom. Wellenkraftwerke befinden sich noch in der Testphase. Es werden daher noch unterschiedliche Möglichkeiten erprobt, die Energie der Wellen in elektrische Energie umzuwandeln.

Ein Wasserkraftwerk am Stausee

Welche Arten von Turbinen gibt es?

Folgende Arten von Turbinen kommen beim Bau eines Wasserkraftwerkes zum Einsatz:

  • Kaplan-Turbine
  • Rohrturbine
  • Durchströmturbine
  • Straflo-Turbine
  • Francis-Turbine
  • Pelton-Turbine

Wie viel Energie liefern alle Wasserkraftwerke in Deutschland zusammen?

In Deutschland gibt es rund 7.300 Wasserkraftanlagen. Gemeinsam verfügen alle Wasserkraftanlagen Deutschlands über eine Leistung von ca. 5.600 Megawatt. In 2019 hatte die Wasserkraft einen Anteil von 3,5 % am gesamten Stromverbrauch in Deutschland. Wenn man Wasserkraft ausschließlich mit erneuerbaren Energien vergleicht, liegt ihr Anteil bei 8,31 %. Im Jahr 2018 betrug der mit Hilfe von Wasserkraft gewonnene Strom 20.000 Gigawattstunden. Damit konnten etwa 5,7 Millionen Haushalte, die einen durchschnittlichen Stromverbrauch von 3.500 kWh/Jahr hatten, versorgt werden.

Wie viel Strom erzeugt ein Wasserkraftwerk?

Wie viel Strom ein Wasserkraftwerk erzeugt, schwankt nach Größe und geographischen Gegebenheiten. 6.900 der in Deutschland befindlichen Wasserkraftwerke sind Kleinwasserkraftanlagen, da ihre installierte Leistung weniger als ein Megawatt beträgt. Alle übrigen Wasserkraftwerke in Deutschland haben ein Leistungsvermögen von mehr als einem Megawatt.

Wo findet man Wasserkraftwerke?

Viele Wasserkraftwerke befinden sich im Süden Deutschlands. In Bayern und Baden-Württemberg findet man 80 % der installierten Leistung. Das liegt vor allem an geographischen Gegebenheiten. Im Süden von Deutschland befinden sich mehr große Flüsse, sowie Mittel- und Hochgebirge. Mittel- und Hochgebirgslagen und ein guter Durchfluss erhöhen die Wirtschaftlichkeit von Wasserkraftwerken und sind daher gute Voraussetzungen für den Bau einer Wasserkraftanlage. Gerade der Voralpenraum ist dafür optimal geeignet. Deutschland liegt im weltweiten Vergleich ohnehin weit hinten, da der Großteil Deutschlands zu flach für den Bau von Wasserkraftwerken ist. Weltweiter Spitzenreiter ist dabei China.

Wo ist die größte Wasserkraftanlage der Welt?

Die Drei-Schluchten-Talsperre in China am Jangtsekiang ist das größte Wasserkraftwerk der Welt. Die Wasserkraftanlage ist 185 m hoch, 2309 m lang und der Stausee ist 600 km lang. Das Wasserkraftwerk kann eine Leistung von bis zu 22,5 Gigawatt erbringen. Das entspricht einer Leistung von 16 mittelgroßen Atomkraftwerken.

Welche Nachteile hat Wasserkraft?

Der Bau eines Wasserkraftwerkes bedeutet, obwohl Wasserkraft als erneuerbare Energien zu den umweltfreundlichen Energiegewinnungsmöglichkeiten zählt, teilweise starke Eingriffe in die Natur. Der Staudamm eines Wasserkraftwerkes kann dazu führen, dass Landfläche mit fruchtbarem Boden austrocknet. Das bringt landwirtschaftliche Ausfälle mit sich, worunter auch viele Menschen zu leiden haben. Wasserkraftwerke können Erdbeben auslösen. Erdbeben resultieren nicht nur aus natürlichen Auslösern. Bereits beim Bau von Wasserkraftanlagen besteht erhöhtes Erdbebenrisiko. Auch nach dem Bau birgt ein Wasserkraftwerk Erdbebengefahr. Die Stauseen, die mit ihren schweren Wassermassen auf den Erdboden drücken, führen zu Spannung im Untergrund und lösen somit Erdbeben aus. Ein Wasserkraftwerk, insbesondere ein Laufwasserkraftwerk, hat immer erheblichen Einfluss auf das Fließgewässer, an dem es erbaut wurde. Es verändert das Fließverhalten des Gewässers. Die Versiegelung eines Stauraums und die Errichtung von Staudämmen können dazu beitragen, dass der Grundwasserhaushalt durch das Absinken und das Ansteigen des Wassers gestört werden kann. Durch die Errichtung von Wasserkraftwerken sind Fische und andere Wasserlebewesen bedroht. Fische können beispielsweise nach dem Bau eines Staudammes ihren Laichplatz oft nicht mehr erreichen. Das hat zur Folge, dass sich einige Fischarten nicht mehr fortpflanzen können. Um das Sterben der Fische zu verhindern, sind jedoch mittlerweile beim Bau von Wasserkraftwerken kleine Treppen, die den Fischen die Überquerung der Staudämme ermöglichen sollen, Pflicht. Diese Treppen werden als „Fischtreppen“ bezeichnet. Wasserkraftwerke führen zum Teil dazu, dass Wohnfläche nicht mehr als solche genutzt werden kann. Durch den Bau eines Stauraums werden Flächen verbraucht. Teilweise zwingt der Bau von Wasserkraftwerken die Bewohner dieses Landstreifens zur Umsiedlung. In Deutschland hat die Wasserkraft kaum mehr Aussicht auf Wachstum. Die Standortmöglichkeiten für Wasserkraftwerke sind hier bereits ausgeschöpft. An fast jedem günstigen Standort wurde bereits ein Wasserkraftwerk erbaut.

Welche Vorteile hat Wasserkraft gegenüber anderen Energieformen?

Wasser ist eine preislich günstige Möglichkeit der Stromerzeugung. Der Bau einer Wasserkraftanlage ist sehr aufwendig und dauert lange. Die Errichtung lohnt sich trotzdem, da ein Wasserkraftwerk im Normalfall sehr langlebig ist. Ein Wasserkraftwerk wird mit dem erneuerbaren Energieträger Wasser angetrieben. Dabei werden keine fossilen Brennstoffe verwendet, wie beispielsweise bei Kohle oder Erdöl. Es wird bei Inbetriebnahme eines Wasserkraftwerkes kein CO2 ausgestoßen. Das macht Wasserkraft zu einer klimafreundlichen Energiequelle. Wasser ist immer verfügbar. Auch wenn die globale Verteilung von Wasser variieren kann und Gewässer austrocknen können, kann diese Energiequelle nicht langfristig versiegen. Daher ist Wasserkraft eine Energiegewinnungsmöglichkeit mit Zukunft. Die Nutzbarkeit hängt im Regelfall weder von der Zeit noch vom Wetter ab. Das ist bei Wind- und Sonnenenergie nicht der Fall. Wasser fließt immer und ist daher in der Lage, sich um die Grundlastversorgung zu kümmern. Speicherkraftwerke tragen zum Hochwasserschutz bei. Sie können das Wasser zurückhalten, wenn es nicht benötigt wird und können es in wasserärmeren Zeiten dosiert abgeben. Die gestauten Flüsse sind durch Wasserkraftwerke besser schiffbar und optimieren die wirtschaftliche Nutzung der Flüsse als Handelsrouten.

Fazit zum Thema Wasserkraftwerke

Wasserkraftwerke leisten einen Beitrag zur Stromversorgung, der nicht zu vernachlässigen ist. Das Ausbaupotential der Wasserkraft ist in Deutschland jedoch sehr gering. Auch auf die Umwelt hat die Stromerzeugung durch Wasserkraft negative Auswirkungen. Dennoch ist Wasserkraft eine nachhaltige und umweltfreundliche Energiegewinnung, gerade im Vergleich zu anderen, insbesondere fossilen, Energieträgern. Auch erneuerbare Energien haben Nachteile, die jedoch gerade im Hinblick auf die Klimaverträglichkeit, verglichen mit denen fossiler Energien, verschwindend gering sind. Die Frage ist daher, inwieweit es gerechtfertigt ist, dass die Reduzierung der CO2-Emissionen auf Kosten des Naturschutzes erfolgen sollte. 🌱

Bildquellen

  • Wasserkraftwerk: iStock/DedMityay
  • Wasserkraftwerk-Stausee: iStock/NicoElNino