Wasserkraftwerk

Ein Wasserkraftwerk oder Wasserkraftanlage ist ein Kraftwerk, das die kinetische Energie des Wassers in mechanische Energie bzw. Elektrische Energie umwandelt. Damit wird die Wasserkraft für den Menschen nutzbar gemacht.

Funktionsweise

Durch eine Stauanlage wird Wasser im Stauraum auf möglichst hohem potentiellem Niveau zurückgehalten. Die Energie der Bewegung des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, wodurch dieses in Drehbewegung mit hohem Drehmoment versetzt wird. Dieses wiederum wird direkt oder über ein Getriebe an die Welle des Generators weitergeleitet, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Weitere Bauteile sind, abhängig von Größe und Bauart des Elektrizitätswerkes:

Talsperre, Staumauer, Staudamm, Staustufe, Wehr (Wasserbau), Einlaufschütz, Treibgutrechen, Umspannwerk sowie Rohrleitungen zwischen dem Wasserschloss und dem Maschinenhaus.

Leistung

Die Leistung P ist abhängig vom Wasserdurchfluss Q (in m³/s) und der Fallhöhe h (in m) sowie von den Wirkungsgraden η des Zulaufs, der Wasserturbine, des Getriebes, des Generators und des Transformators.

Näherungsweise Berechnung bei einem Wirkungsgrad von ca. 85 % (g · ρ · η ≈ 7 kN /m³)

P=Q\cdot h\cdot 7\,\mathrm {kN} /\mathrm {m} ^{3}

Beispiel: Durch die Turbine eines Laufwasserkraftwerkes mit der Stauhöhe 6 m strömen pro Sekunde 20 m³ Wasser. Damit ergibt sich eine Leistung von P = 20 m³/s · 6 m · 7 kN/m³ = 840 kW. Die installierten Leistungen liegen zwischen wenigen kW und 18.000 Megawatt (Drei-Schluchten-Damm in China).

Wasserkraftwerke erzielen einen hohen Wirkungsgrad. Ihre Turbinen und Generatoren können bis zu 90 % der nutzbaren Wasserkraft in elektrischen Strom umwandeln.

Typen von Wasserkraftwerken

Einteilung nach Nutzgefälle

Das Nutzgefälle oder die Fallhöhe ist der Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel oberhalb der Turbine (Oberwasser) und dem Wasserspiegel hinter der Turbine (Unterwasser).

Niederdruckkraftwerke: Fallhöhe: < 15 m; Verwendung für: Grundlast; Turbinenarten: Kaplan-Turbine, Durchströmturbine; Bauarten: Flusskraftwerke, Ausleitungskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerk

Mitteldruckkraftwerke: Fallhöhe: 15–50 m; Verwendung für: Grundlast, Mittellast; Turbinenarten: Francis-Turbine, Kaplan-Turbine, Durchströmturbine; Bauarten: Flusskraftwerke, Speicherkraftwerke

Hochdruckkraftwerke: Fallhöhe: 50–2.000 m; Verwendung für: Spitzenlast; Turbinenarten: Francis-Turbine, Pelton-Turbine; Bauarten: Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Kavernenkraftwerke

Einteilung nach Auslastung

Die erzeugte Strommenge (Regelarbeitsvermögen) ergibt im Verhältnis zur Nennleistung die Auslastung eines Kraftwerkes.

Grundlastkraftwerk: Auslastung: > 50 %; Bauarten: Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Strom-Boje, Wellenkraftwerk

Mittellastkraftwerke: Auslastung: 30–50 %; Bauarten: Flusskraftwerke mit Schwellbetrieb, Speicherkraftwerke

Spitzenlastkraftwerke: Auslastung: < 30 %; Bauarten: Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Kavernenkraftwerke

Einteilung nach Bauart

Laufwasserkraftwerk: Bei einem Laufwasserkraftwerk wird ein Fluss gestaut und mit dem abfließenden Wasser elektrischer Strom gewonnen.

Speicherkraftwerk: Bei einem Speicherkraftwerk wird das Wasser über einen Zeitraum (mehrere Stunden bis mehrere Monate) gespeichert, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen.

Pumpspeicherkraftwerk: Ein Pumpspeicherkraftwerk ist ein Speicherkraftwerk, bei dem mit überschüssigem Strom Wasser aus einer niedrigen Lage in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird, um später Spitzenstrom zu erzeugen. Pumpspeicher-Kraftwerke bieten als derzeit einzige Energieanlagen die Möglichkeit, Elektrizität wirtschaftlich und in nennenswertem Umfang mit Hilfe potentieller Energie (Speicherwasser) zu speichern.

Kavernenkraftwerk: Ein Kavernenkraftwerk verwendet künstlich geschaffene Hohlräume als Energiespeicher oder als Standort für Kraftwerkskomponenten, es fügt sich damit sehr unauffällig in das Landschaftsbild ein.

Gezeitenkraftwerk: Ein Gezeitenkraftwerk nutzt die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und Flut.

Wellenkraftwerk: In Wellenkraftwerken wird, im Unterschied zu einem Gezeitenkraftwerk, nicht der Tidenhub, sondern die Energie der kontinuierlichen Meereswellen selbst ausgenutzt.

Meeresströmungskraftwerk: Ein Meeresströmungskraftwerk nutzt die kinetische Energie von Meeresströmungen.

Schiffmühle: Eine Schiffmühle besteht aus einem auf einem Schwimmkörper befestigten und auf einem Fluss verankerten Wasserrad.

Strom-Boje: Eine Strom-Boje wandelt die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie um. Bei diesem neuartigen Typ werden das Landschaftsbild und der Wasserspiegel nicht verändert.

Wasserwirbelkraftwerk: In einem Wasserwirbelkraftwerk bildet sich in einem runden Staubecken ein stabiler Wasserwirbel über einem zentralen Abfluss aus, der eine Wasserturbine antreibt.

Ökonomische Bedeutung

Energiequellen in Deutschland von 2005 bis 2007^[1]

Weltweit werden knapp 88 % der erneuerbaren elektrischen Energie mit Wasserkraftwerken erzeugt; das entspricht etwa 20% der gesamten Stromerzeugung.^[3] Norwegen deckt fast seinen gesamten Elektrizitätsbedarf mit Wasserkraft, Brasilien rund 80 %. In Österreich beträgt die Wasserkraftquote rund 55 % (36 TWh) an der gesamten Stromproduktion, in der Schweiz sind es rund 60 %. Gemessen am gesamten Energieverbrauch in Deutschland trägt die Wasserkraft weniger als 1,6 % bei, wie das nebenstehende Bild zeigt, wobei der Anteil an der Bruttostromerzeugung zwischen 3 und 4% schwankt.^[4]

Aus der in Deutschland installierten Leistung von 4,7 GW und der in Deutschland erzeugten Energie (dem Regelarbeitsvermögen) von 21600 GWh errechnen sich 4600 Volllaststunden. Gemessen an den 8760 Stunden pro Jahr ergibt sich ein Nutzungsgrad von 52 %.

Die Kosten der Investitionen für Wasserkraftwerke liegen sehr hoch und belasten die Rentabilität der Anlage. Daher ist der in Wasserkraftwerken produzierte elektrische Strom zunächst einmal kostspieliger als der in vergleichbaren Dampfkraftwerken. Die Kostenlosigkeit der nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehenden Ressource Wasserkraft macht sich erst bemerkbar, wenn die Erlöse des verkauften Stromes die Kosten der Errichtung des Kraftwerkes gedeckt haben. Aus diesem Grund werden Wasserkraftwerke für eine hohe Lebensdauer ausgelegt, um diesen Effekt möglichst lange nutzen zu können.

Wasserkraftwerke werden bevorzugt im Mittel- und Hochgebirge sowie an großen Flüssen errichtet, um durch großen Höhenunterschied bzw. Durchfluss die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Ökologische Auswirkung

Der Landschaftsverbrauch beim Anlegen von Wasserkraftwerken, vor allem beim Bau von neuen Stauseen oder Sperrwerken kann zu Konflikten führen, bei denen die Nachteile und Vorteile, auch im Vergleich zu anderen Lösungen, im Einzelfall abgewogen werden müssen.

Vorteile

Erneuerbare Energieform
Keine CO₂-Emission durch den direkten Betrieb (im Vergleich zu Wärmekraftwerken welche fossile Brennstoffe verwenden)
Hochwasserschutz durch Speicherkraftwerke (Wasser wird in wasserreichen Zeiten zurückgehalten und dosiert abgegeben)
verbesserte Schiffbarkeit von Flüssen

Energieausbeute in der Regel unabhängig von Wetter und Zeit (im Vergleich zu vielen anderen alternativen Energieformen)
Die erzeugte Energie lässt sich gut und schnell regeln

Nachteile

Umsiedlung der Bewohner, beispielsweise durch die Konstruktion des Stausees "Reschensee" in Südtirol oder am Drei-Schluchten-Damm
Enteignungen der Anrainer
ökologische Veränderungen, Beeinträchtigung von Natur und Landschaft, Zerstörung des natürlichen Fließgewässerregimes, Fischsterben durch Turbinen, Treibgutrechen und Pumpen
Stauraumspülungen und Versandung im Staubereich von Speicherkraftwerken und Laufwasserkraftwerken. Mit der regelmäßigen Durchführung dieser Methode wird versucht das Volumen des Stauraumes zu erhöhen. Ebenso kommt es zur Produktion klimaschädlicher Faulgase im Stauraum von Speicherkraftwerken und Laufwasserkraftwerken durch Verwesung von organischen Ablagerungen infolge von Versandung und im Stausee von Speicherkraftwerken, sofern vor der Anstauung das betroffene Gebiet nicht gerodet wird (s. Tucuruí-Stausee)
Verursachung von Schwallbetrieb, bei Speicherkraftwerken und Laufkraftwerken, welcher zu einer Reihe von ökologischen Auswirkungen in Fließgewässern führt. Hierbei kann sich auch in der trockenen Jahreszeit innerhalb eines engen Hochgebirgtales ein gefährliches Hochwasser bilden, wenn weit oberhalb der Gefahrenstelle ein Wasserkraftwerk seinen Betrieb wegen eines technischen Schadens sehr schnell beenden muss.
Massiver Eingriff in den Grundwasserhaushalt durch die Errichtung von Staudämmen, Versiegelung des Stauraums oder durch die Konstruktion von Drainagen. Oftmals kommt es dabei zu Verunreinigungen des Grundwassers, Absinken bzw. Versickern oder Ansteigen des Grundwasserspiegels. Für den Menschen ungenießbares Trinkwasser aus Brunnen oder Umstellungen von Landwirtschaften können unter anderem die Folgen sein.
Verlust von Habitatsangebot durch Treibgutrechen. Die Entnahme von verschiedenen Materialien, wie zum Beispiel Treibholz, durch die Rechenanlagen von Wasserkraftwerken, verursacht den Verlust von wichtigen Lebensräumen im Unterwasser. Für viele Organismen wie zum Beispiel Fische stellt Treibgut einen wichtigen Lebensraum dar. Dieser geht durch die Entnahme verloren.
Überstauung und Zerstörung von Kulturgütern wie zum Beispiel am geplanten Ilısu-Staudamm in der Türkei

Geschichte

Der technische Vorgänger des Wasserkraftwerkes war die Wassermühle. Vor rund 5.000 Jahren wurden in Mesopotamien die ersten Schöpfwerke für die Bewässerung gebaut. Die Römer nutzten Wasserräder vornehmlich zum Betrieb von Getreidemühlen. Im Zeitalter der Industrialisierung stellte die Wasserkraft einen wesentlichen Produktionsfaktor dar, bevor sie in den darauffolgenden Jahrzehnten zunehmend durch Kohle und Öl, später durch die Kernkraft verdrängt wurde. Heute stellt die Wasserkraft wieder eine der wichtigsten und bewährtesten regenerativen Energieformen dar.

Das erste stromerzeugende Wasserkraftwerk war das am Debdon-Stausee in England. Es wurde 1878 gebaut und leistete 4 kW (6 PS) bei einer Fallhöhe von 10 m. Der englische Lord Armstrong wollte damit seine Bildergalerie im nahegelegenen Schloss Cragside beleuchten. Ein Wasserrad trieb einen Generator an, der von Siemens geliefert worden war. Der erzeugte Strom wurde durch eine Kupferleitung 1370 m (1500 yards) weit zum Haus des Lords geleitet. Zuerst gab es dort eine Kohlebogenlampe; 1880 dann schon 45 Glühlampen. Es war wahrscheinlich das erste mit elektrischem Strom beleuchtete Gebäude Großbritanniens. Während des Tages, wenn er nicht zur Beleuchtung gebraucht wurde, trieb der Strom eine Sägemaschine an.^[5]^[6]

Die wahrscheinlich erste Nutzung der Wasserkraft für eine elektrische Straßenbeleuchtung erfolgte in Deutschland durch die Stadt Triberg im Jahre 1884.

Bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurden in Deutschland schätzungsweise 100.000 Wasserräder betrieben. Diese wurden zunächst großenteils auf die Erzeugung elektrischen Stroms umgestellt. Die Zahl der Wasserturbinen ging auf etwa 8.000 zurück. Die mit der jahrhundertelangen Nutzung der Wassermühlen entstandenen Staurechte blieben dagegen in vielen Fällen bestehen und können heute mit neuer Technik reaktiviert werden.

Bemerkenswertes

Das Wappen Nordkoreas enthält ein Wasserkraftwerk mit Strommast.