Wasserkraft: Was ist das?
Die Wasserkraft rückt als eine der ältesten und zuverlässigsten Formen der erneuerbaren Energieerzeugung zunehmend in den Fokus. In diesem Artikel erklären wir, was Wasserkraft ist, wie sie funktioniert, welche Rolle sie für unsere heutige und künftige Energieversorgung spielt und vieles mehr.
Wasserkraft, auch Hydroenergie genannt, bezeichnet den Prozess, bei dem die kinetische Energie des fließenden Wassers in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei dieser Form der Energieerzeugung wird entweder die Fließgeschwindigkeit von Gewässern wie Flüssen oder die in Stauseen gespeicherte potenzielle Energie genutzt.
Es gibt viele verschiedene Arten von Wasserkraftwerken, aber das Grundprinzip ihrer Funktionsweise ist immer gleich. Das Wasser fließt durch die Anlage und seine kinetische oder vertikale Energie wird von Turbinen aufgefangen. Diese übertragen die Energie auf einen Generator, wo sie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Wie funktionieren Wasserkraftwerke?
Wasserkraft wird mit Hilfe von Turbinen in elektrische Energie umgewandelt, die speziell für ihren Zweck und ihren Standort konzipiert sind. In einem Wasserkraftwerk setzen die Wassermassen diese Turbinen in Bewegung, so dass sie sich zu drehen beginnen. Die entstehende Drehbewegung wird an einen Generator weitergeleitet, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Die Größe der Turbinen variiert je nach Größe des Kraftwerks und kann mehrere Meter im Durchmesser betragen. In großen Anlagen können die Generatoren sogar die Größe eines Lastwagens haben. Doch wie kommt der so erzeugte Strom zum Endverbraucher? Normalerweise ist ein Wasserkraftwerk an ein Umspannwerk angeschlossen. So kann die erzeugte elektrische Energie in die Hochspannungsnetze eingespeist und an die Verbraucher weitergeleitet werden.
Es gibt verschiedene Arten von Wasserkraftwerken, die nach der Art der Energieumwandlung unterschieden werden. Grundsätzlich wird zwischen Laufwasserkraftwerken und Speicherkraftwerken unterschieden, je nachdem, ob die Energie natürlich oder künstlich erzeugt wird.
Darüber hinaus lassen sich Wasserkraftwerke nach der Fallhöhe des Wassers, d.h. dem Höhenunterschied zwischen Ein- und Auslauf des Wassers, kategorisieren. Dabei gilt der Grundsatz: Je größer das Gefälle, desto größer der Druck des Wassers. Man unterscheidet zwischen Niederdruckkraftwerken (bis ca. 25 Meter Fallhöhe), Mitteldruckkraftwerken (bis 100 Meter Fallhöhe) und Hochdruckkraftwerken (ab 100 Meter Fallhöhe).
Welche Wasserkraftwerk-Arten von gibt es?
Wasserkraftwerke sind für die nachhaltige Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung und unterscheiden sich in ihrer Bauweise und ihrem Betrieb. Zu den wichtigsten Typen gehören Laufwasserkraftwerke, Speicherkraftwerke und andere spezielle Typen.
- Laufwasserkraftwerke: Diese Kraftwerke befinden sich in der Regel in fließenden Gewässern und nutzen die kinetische Energie des fließenden Wassers. Sie haben in der Regel eine geringe Fallhöhe. Das Wasser fließt durch Turbinen, oft Kaplanturbinen, die für geringes Gefälle und hohe Wassermengen ausgelegt sind, und treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Laufwasserkraftwerke sind ständig in Betrieb und tragen zur Grundlastversorgung bei, sind aber von den natürlichen Schwankungen der Flusswasserstände abhängig, die ihre Leistung beeinträchtigen können.
- Speicherkraftwerke: Im Gegensatz zu Laufwasserkraftwerken nutzen Speicherkraftwerke die potenzielle Energie des Wassers. Hier wird Wasser in einem höher gelegenen Reservoir, wie einem Stausee, gesammelt. Die Fallhöhe kann dabei mehrere hundert bis über tausend Meter betragen. Durch Rohrleitungen fließt das Wasser zu den Turbinen, die je nach Fallhöhe als Peltonturbinen oder Francisturbinen ausgelegt sind, und erzeugt Strom. Speicherkraftwerke werden hauptsächlich bei Bedarfsspitzen eingesetzt, da sie schnell reagieren können und den Durchfluss gut regulieren.
- Pumpspeicherkraftwerke: Sie funktionieren nach dem Prinzip von Speicherkraftwerken, können aber das verbrauchte Wasser in das Speicherbecken zurückpumpen. Sie werden vor allem zu Spitzenlastzeiten eingesetzt und nutzen die überschüssige Energie in Zeiten geringerer Nachfrage, um das Wasser wieder hochzupumpen.
- Gezeitenkraftwerke: Diese Kraftwerke nutzen den regelmäßigen Wechsel von Ebbe und Flut in Küstengebieten. Sie werden als Dämme in Meeresbuchten gebaut und benötigen einen ausreichenden Tidenhub.
- Wellenkraftwerke: Wellenkraftwerke, die die Energie der Meereswellen nutzen, sind eine relativ neue Entwicklung. Sie befinden sich noch in der Testphase und nutzen verschiedene Technologien, um die Bewegung der Wellen in Strom umzuwandeln, zum Beispiel durch den Antrieb von Turbinen mittels Druckluft in Betonkammern oder durch die Führung der Wellen über Rampen.
Vor- und Nachteile von Wasserkraft
Hat Wasserkraft Vorteile?
Wasserkraft ist eine der saubersten und nachhaltigsten Energiequellen. Beschäftigen wir uns also einmal damit, welche Vorteile Wasserkraft bietet:
- Erneuerbare Energiequelle: Die Nutzung der Wasserkraft beruht auf der natürlichen und unerschöpflichen Energie des Wassers. Das bedeutet, dass Wasser als Energiequelle kontinuierlich zur Verfügung steht, ohne dass seine Menge oder Qualität beeinträchtigt wird. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen wird diese lebenswichtige Ressource nicht verbraucht und bleibt intakt.
- Keine direkten CO₂-Emissionen: Im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken, die fossile Brennstoffe verbrennen und daher große Mengen an CO₂ und anderen Treibhausgasen freisetzen, verursacht die Wasserkraft bei der Stromerzeugung keine direkten Kohlenstoffemissionen. Das macht sie zu einer umweltfreundlichen Alternative.
- Hohe Effizienz: Der Wirkungsgrad der Wasserkraft ist mit 85 bis 90 Prozent deutlich höher als der anderer Energiequellen. Im Vergleich dazu erreichen Kohlekraftwerke nur einen Wirkungsgrad von etwa 30 bis 45 Prozent und Photovoltaikanlagen durchschnittlich 15 bis 25 Prozent. Das bedeutet, dass ein großer Teil der Energie des fließenden Wassers effektiv in elektrische Energie umgewandelt wird.
- Zuverlässige Energiequelle: Wasserkraft bietet ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Versorgungssicherheit. Während andere erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie von den Wetterbedingungen abhängig sind, ist die Verfügbarkeit von Wasser weitgehend konstant. Dies ermöglicht eine konstante und vorhersehbare Stromerzeugung, die wesentlich zur Stabilität des Stromnetzes beiträgt und Schwankungen in der Stromnachfrage wirksam ausgleichen kann.
Wissenswertes über die Wasserkraft
Hat Wasserkraft Nachteile?
Nun wollen wir beleuchten, welche Nachteile Wasserkraft – trotz seiner vielen positiven Eigenschaften hat:
- Ökologische Auswirkungen: Der Bau von Wasserkraftwerken kann erhebliche ökologische Folgen haben. Dazu gehören das Fischsterben und die Beeinträchtigung der natürlichen Landschaft und ihrer Tierwelt. Das natürliche Gleichgewicht von Flussökosystemen kann dadurch gestört werden.
- Verlust von Erholungsgebieten: Die Umwandlung natürlicher Flussläufe in Stauseen hat oft den Verlust wertvoller Erholungsräume zur Folge. Die Veränderung des Fließverhaltens von Flüssen kann sich auch auf die Freizeitnutzung auswirken, zum Beispiel auf das Angeln oder Bootfahren.
- Auswirkungen auf natürliche Bewässerung: Die Verhinderung von Überschwemmungen durch Wasserkraftwerke kann zu einem Verlust der natürlichen Bewässerung und Düngung benachbarter Landflächen führen. Dies kann sich auf die Landwirtschaft und die natürlichen Ökosysteme auswirken.
- Erdbebenrisiko: Es gibt Hinweise darauf, dass der Bau von großen Wasserkraftwerken und Stauseen das Erdbebenrisiko in der Region erhöhen kann. Dies wird auf die großen Wassermassen und die damit verbundenen geologischen Veränderungen zurückgeführt.
- Eingriff in den Grundwasserhaushalt: Der Bau von Staudämmen und die Versiegelung von Stauseen kann zu weitreichenden Veränderungen im Grundwasserhaushalt führen. Dies kann weitreichende Auswirkungen auf das lokale Klima, die Vegetation und die Bodenverhältnisse haben.
- Umsiedlung von Anwohnern: In einigen Fällen erfordert der Bau von Stauseen die Umsiedlung von Menschen, die in den betroffenen Gebieten leben. Dies kann zu sozialen und kulturellen Umwälzungen in den betroffenen Gemeinden führe
Ausbau von Wasserkraft in Deutschland
Wasserkraft ist eine bedeutende Quelle erneuerbarer Energien in Deutschland und spielt eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von CO2-Emissionen. Mit ihrer kontinuierlichen Verfügbarkeit und dezentralen Erzeugung leistet sie einen wichtigen Beitrag zur regionalen Stabilität der Stromversorgung. Im Jahr 2019 hat die Wasserkraft den Ausstoß von 15 Millionen Tonnen CO2 in Deutschland vermieden. Zudem sind Pumpspeicherkraftwerke derzeit die einzige großtechnische Lösung zur kostengünstigen Speicherung von elektrischer Energie.
In Deutschland gibt es rund 7.300 Wasserkraftwerke mit einer Gesamtleistung von rund 5.600 Megawatt. Die überwiegende Mehrheit dieser Anlagen, nämlich 6.900, sind kleine Wasserkraftwerke mit einer Leistung von weniger als 1 Megawatt. Obwohl diese kleinen Anlagen zahlenmäßig dominieren, tragen sie nur etwa 14 Prozent zur gesamten Stromerzeugung aus Wasserkraft bei. Der größte Teil der Stromproduktion, rund 17,5 Terawattstunden pro Jahr, wird von größeren Anlagen mit einer Leistung von über 1 Megawatt erzeugt.
Im Jahr 2019 betrug der Anteil der Wasserkraft am gesamten Bruttostromverbrauch in Deutschland rund 3,5 Prozent. Betrachtet man nur die Erzeugung aus erneuerbaren Energien, lag der Anteil der Wasserkraft bei 8,31 Prozent.
Von den bestehenden Wasserkraftanlagen erhalten 7.100 eine Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), wobei 5.300 dieser Anlagen eine Leistung von weniger als 100 Kilowatt haben. Das bedeutet, dass vor allem kleine Wasserkraftanlagen von der EEG-Vergütung profitieren.
Die Stromerzeugung aus Wasserkraft in Deutschland war in den letzten Jahren starken Schwankungen unterworfen, die vor allem auf die unterschiedlichen Niederschlagsmengen zurückzuführen sind. Die jährliche Stromerzeugung schwankte zwischen 20.000 und 29.000 Gigawattstunden (GWh). Im Jahr 2018 lag die Erzeugung bei rund 20.000 GWh, was zur Versorgung von knapp 5,7 Millionen Haushalten mit einem durchschnittlichen Verbrauch von 3.500 kWh pro Jahr ausreichte.
Auf Bundesebene gibt es 31 Pumpspeicherkraftwerke, von denen derzeit 28 in Betrieb sind. Diese Anlagen ermöglichen die Speicherung von elektrischer Energie in Form von potenzieller Energie in einem Stausee.
Fazit
Die Wasserkraft hat sich als eine der ältesten und zuverlässigsten erneuerbaren Energiequellen etabliert und spielt eine zentrale Rolle in der weltweiten Energieversorgung. In diesem Artikel haben wir uns mit den Grundlagen der Wasserkraft, ihrer Funktionsweise, den verschiedenen Arten von Wasserkraftwerken und ihrer Bedeutung für die Energieversorgung von heute und morgen beschäftigt.
Sie nutzt die kinetische und potenzielle Energie des Wassers zur Stromerzeugung. Mit unterschiedlichen Kraftwerkstypen, von Laufwasserkraftwerken über Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke bis hin zu innovativen Gezeiten- und Wellenkraftwerken, bietet sie ein breites Spektrum an Möglichkeiten zur Energieerzeugung. Diese Vielfalt ermöglicht es, unterschiedliche geografische und hydrologische Bedingungen für die Stromerzeugung zu nutzen.
Die Vorteile der Wasserkraft sind beträchtlich. Sie ist eine erneuerbare, CO2-freie Energiequelle mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit. Besonders hervorzuheben ist ihre Fähigkeit, einen Beitrag zur Grundlastversorgung und zur Abdeckung von Spitzenlasten im Stromnetz zu leisten. In Deutschland hat sich die Wasserkraft als wichtiger Bestandteil der Energielandschaft etabliert und leistet einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen.
Dennoch gibt es Herausforderungen und Nachteile: Der Bau von Wasserkraftwerken kann ökologische Auswirkungen haben, Erholungsgebiete beeinträchtigen und in den Grundwasserhaushalt eingreifen. Die Abhängigkeit von den hydrologischen Bedingungen führt zu Schwankungen in der Stromerzeugung, und in einigen Fällen ist die Umsiedlung von Anwohnern erforderlich.
Insgesamt ist klar, dass die Wasserkraft eine wichtige Rolle in einer nachhaltigen Energiezukunft spielt, aber eine sorgfältige Planung und Berücksichtigung ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Aspekte erfordert. Ihre Fähigkeit, Strom auf effiziente und umweltfreundliche Weise zu erzeugen, macht sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil des Übergangs zu erneuerbaren Energiequellene
Häufig gestellte Fragen
Das weltweite technische Potenzial der Wasserkraft beträgt rund 11.000 TWh pro Jahr, wovon derzeit rund 3.200 TWh genutzt werden. Während das Potenzial in den Industrieländern weitgehend ausgeschöpft ist, gibt es in den Entwicklungsländern noch erhebliche ungenutzte Potenziale, deren Erschließung oft an finanziellen Hürden scheitert. In Europa werden bereits rund 97 Prozent des wirtschaftlich nutzbaren Potenzials genutzt, abgesehen von kleinen Kraftwerken unter 1 MW, die rund ein Viertel des Gesamtpotenzials ausmachen könnten.
Die Nutzung der Wasserkraft hängt stark von den geografischen und hydrologischen Gegebenheiten ab. Sie erfordert ausreichende Wassermengen und eine entsprechende Bewegung des Wassers, wie sie in Flüssen mit entsprechendem Gefälle oder in Gebieten mit großem Tidenhub für Gezeitenkraftwerke gegeben sind. In vielen Regionen der Welt sind diese Voraussetzungen nicht gegeben.
Obwohl der Bau von Wasserkraftwerken kostenintensiv und komplex ist, sind die Betriebskosten vergleichsweise gering. Aufgrund ihrer technischen Reife und Langlebigkeit mit Betriebszeiten von mehreren Jahrzehnten gelten Wasserkraftwerke trotz ihrer langen Amortisationszeiten letztlich als eine der kostengünstigsten Methoden der Stromerzeugung.
Der Bau von Laufwasserkraftwerken in Flüssen kann zu erheblichen Veränderungen des natürlichen Flusslaufs und der umliegenden Ökosysteme führen. Es ist daher immer abzuwägen, inwieweit der Energiegewinnung aus Wasserkraft Vorrang vor dem Erhalt natürlicher Flusslandschaften eingeräumt wird.
Laufwasserkraftwerke haben im Allgemeinen positive Auswirkungen auf die Schifffahrt. Sie stabilisieren und erhöhen die Wassertiefe im Staubereich und verringern die Fließgeschwindigkeit des Wassers. Diese Vorteile überwiegen in der Regel die Nachteile, die durch die Notwendigkeit von Schleusen entstehen.
Obwohl der Bau von Wasserkraftwerken kostenintensiv und komplex ist, sind die Betriebskosten vergleichsweise gering. Aufgrund ihrer technischen Reife und Langlebigkeit mit Betriebszeiten von mehreren Jahrzehnten gelten Wasserkraftwerke trotz ihrer langen Amortisationszeiten letztlich als eine der kostengünstigsten Methoden der Stromerzeugung.
