Wasserkraftwerk
Ein Wasserkraftwerk oder Wasserkraftanlage ist ein Kraftwerk, das die mechanische Energie des Wassers in elektrischen Strom umwandelt. Damit wird die Wasserkraft für den Menschen nutzbar gemacht.
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![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7e/Water_turbine-de.png/220px-Water_turbine-de.png)
Funktionsweise
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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 elektrischen Strom 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. 70 % (g · ρ · η ≈ 7 kN /m3)
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
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![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/41/Wasserkraftwerk_Horster_Muehle_Ruhr_Germany.jpg/220px-Wasserkraftwerk_Horster_Muehle_Ruhr_Germany.jpg)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/73/Grand_Coulee_Dam.jpg/220px-Grand_Coulee_Dam.jpg)
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, 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.
- Auslastung: > 50 %
- Bauarten: Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Strom-Boje, Wellenkraftwerk
- Auslastung: 30–50 %
- Bauarten: Flusskraftwerke mit Schwellbetrieb, Speicherkraftwerke
- Auslastung: < 30 %
- Bauarten: Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Kavernenkraftwerke
Einteilung nach Bauart
- Laufwasserkraftwerk
- Bei einem Laufwasserkraftwerk wird ein Fluss gestaut und mit dem abfließenden Wasser elektrischer Strom produziert.
- 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 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.
- 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.
- Strom-Boje
- Eine Strom-Boje wandelt die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie um. Bei diesem neuartigen Typ wird das Landschaftsbild und der Wasserspiegel nicht verändert.
Ökonomische Bedeutung
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![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/98/Strom_aus_Wasserkraft.gif/220px-Strom_aus_Wasserkraft.gif)
Weltweit werden knapp 18 % der erneuerbaren elektrischen Energie mit Wasserkraftwerken erzeugt. Norwegen deckt fast seinen gesamten Elektrizitätsbedarf mit Wasserkraft, Brasilien rund 80 %. In Deutschland beträgt die Wasserkraftquote rund 3,5 %, in Österreich 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.
Aus der installierten Leistung von 4,7 GW und der erzeugten Energie (dem Regelarbeitsvermögen) von 21600 GWh errechnen sich 4600 h 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 (Einschränkung: Pumpspeicherkraftwerke)
- 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, z. B. 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, wobei die geschätzte Anzahl von 100.000 der bis ins 20. Jahrhundert in Deutschland vorhandenen Wasserräder auf etwa 8.000 Wasserturbinen zurückging. Die mit der jahrhundertenlangen Nutzung der Wassermühlen entstandenen Staurechte blieben dagegen in vielen Fällen bestehen und können heute mit modernen Wasserrädern reaktiviert werden.
Bemerkenswertes
Das Wappen Nordkoreas enthält ein Wasserkraftwerk mit Strommast.
Wasserkraftwerke mit besonderen Merkmalen
- Drei-Schluchten-Damm - seit 2009 größtes Kraftwerk der Welt
- Itaipú - zweitgrößtes Kraftwerk der Welt
- Pumpspeicherwerk Goldisthal - leistungsstärkstes Pumpspeicherkraftwerk Deutschlands
- Grande Dixence - größtes Wasserkraftwerk der Schweiz
- Maltakraftwerke - Leistungsstärkstes Wasserkraftwerk Österreichs
- Barrage de Roselend Leistungsfähiges Wasserkraftwerk in Frankreich
- Kraftwerk am Eisernen Tor - größtes Wasserkraftwerk Europas
- Cabora-Bassa - größtes Kraftwerk Afrikas
- Grand-Coulee - größtes Kraftwerk der USA
- Hoover-Staudamm - berühmtes US-amerikanisches Kraftwerk
- Kraftwerk Walchensee klassisches Speicherkraftwerk in Deutschland
- Bujagali - geplantes umstrittenstes Kraftwerk Afrikas
- Südostanatolien-Projekt - Größtes regionales Entwicklungsprojekt der Türkei, umfasst 22 Staudämme und 19 Wasserkraftwerke und Bewässerungsanlagen
- Hubflügelkraftwerk
- Gravitationswasserwirbelkraftwerk
Siehe auch
- Liste der Kraftwerke
- Liste der größten Wasserkraftwerke der Erde
- Bundesverband deutscher Wasserkraftwerke e.V. (BDW)
- Wasserkraftschnecke
Einzelnachweise
Weblinks / Quellen
- Bilder von 793 Wasserkraftwerken aus Bayern und aller Welt
- www.wasserkraft-deutschland.de - Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke
- Thema "Wasserkraftwerke" bei wasser.de
- Miniwasserkraftwerke als "Fischhäckselmaschinen" (Die Zeit)
- Wasserkraft contra Umwelt, Sueddeutsche.de