Aufbau & Funktionsweise eines Wasserkraftwerk

Wasserkraftwerke nutzen die Energie des fließenden oder fallenden Wassers und gehören zu den ältesten erneuerbaren Energiequellen der Menschheit. Mit Gesamtwirkungsgraden von 80-85 % wandeln sie Wasserenergie besonders effizient in elektrischen Strom um. Wie genau das funktioniert und welche Energieformen dabei zusammenwirken, erklärt dieser Artikel.

Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Das grundlegende Prinzip jedes Wasserkraftwerks ist die Nutzung von kinetischer Energien. Egal ob im fließenden Gewässer, bei fallendem Gewässer oder auf dem Meer – Wasser überträgt bei Bewegung Energie auf einen Generator und erzeugt darüber nutzbaren Strom.

Da heute ein Großteil der in Deutschland verbauten Wasserkraftwerke nicht im Meer, sondern in Gewässern und an Stauseen installiert sind, schauen wir uns deren Funktionsweise zuerst an.

Den Ausgangspunkt bildet das Oberwasser-Becken, das in der Regel durch einen Staudamm begrenzt wird. Der Staudamm erzeugt den für die Energiegewinnung notwendigen Höhenunterschied zum Unterwasser. Je größer der Höhenunterschied, desto höher die potenzielle Energie des Wassers und desto mehr Strom lässt sich erzeugen. Moderne Staudämme sind so konzipiert, dass sie sowohl Sicherheit als auch ökologische Verträglichkeit berücksichtigen.

Vor dem Eintritt in die Rohrleitungen durchläuft das Wasser einen Rechen. Als eine Art Filter schützt er die Turbinenblätter vor Beschädigungen durch angespültes Material und Treibgut. Danach leiten Druckleitungen das Wasser zur Turbine, wobei die kinetische Energie des Wassers kurz vor dem Eintritt maximiert wird.

Im Herzen des Kraftwerks befinden sich eine oder mehrere Turbinen, die durch das einströmende Wasser in Bewegung gesetzt werden. Die kinetische Energie des Wassers wandelt sich dabei in mechanische Energie um. Die Rotationsenergie der Turbine überträgt sich über eine Welle auf den Generator im Maschinenhaus, wo elektromagnetische Induktion die mechanische Energie in elektrischen Strom umwandelt. Ein angeschlossener Transformator erhöht die Spannung für die Einspeisung ins Stromnetz.

Direkt hinter der Turbine sitzt der Diffusor. Er reduziert die Fließgeschwindigkeit des Wassers nach der Turbine und erhöht gleichzeitig den Druck, was den Wirkungsgrad der Turbine verbessert. Danach fließt das Wasser ins Unterwasser-Becken und kehrt in den natürlichen Wasserkreislauf zurück.

Vom Wasser zum Strom in 5 Schritten:

1. Wasser fließt aus dem Oberwasserbecken durch den Rechen in die Druckleitungen.
2. Die Druckleitungen führen das Wasser mit maximaler kinetischer Energie zur Turbine.
3. Das Wasser versetzt die Turbinenschaufeln in Rotation und erzeugt mechanische Energie.
4. Die Turbinenwelle überträgt die Rotation auf den Generator, der durch elektromagnetische Induktion elektrischen Strom erzeugt.
5. Ein Transformator erhöht die Spannung. Danach fließt der Strom ins öffentliche Netz.

Turbinenarten: Kaplan, Francis und Pelton

Die Wahl der Turbine ist der wichtigste standortspezifische Parameter beim Aufbau eines Wasserkraftwerks. Drei Typen dominieren in der Praxis:

Einen ausführlichen Überblick über alle Turbinentypen bietet unser Artikel zu den Arten von Wasserkraftwerken.

Speicherkraftwerk: Aufbau und Funktionsweise

Speicherkraftwerke nutzen künstlich angelegte oder natürliche Seen als Reservoirs, um Wasser zu speichern. Durch das Freilassen von Wasser aus dem Reservoir durch Turbinen entsteht Strom. Der Hauptvorteil liegt in der Fähigkeit, Energie aufzubewahren und je nach Bedarf abzurufen, was sie besonders wertvoll für die Bereitstellung von Spitzenlastenergie macht. Im Gegensatz zu Laufwasserkraftwerken können sie ihre Energieproduktion schnell anpassen, sind jedoch aufgrund des Bedarfs an großen Stauseen mit entsprechenden ökologischen Auswirkungen verbunden.

Pumpspeicherkraftwerk: Aufbau und Funktionsweise

Pumpspeicherkraftwerke speichern Energie, indem sie Wasser aus einem Unterbecken in ein höher gelegenes Oberbecken pumpen, wenn im Netz ein Stromüberschuss vorliegt. Bei Bedarf fließt das Wasser zurück und treibt dabei Turbinen zur Stromerzeugung an. Als einzige Kraftwerksform, die aktiv Strom speichern kann, übernehmen Pumpspeicher eine Schlüsselrolle bei der Netzstabilisierung und können innerhalb von Minuten große Mengen Strom bereitstellen.

Laufwasserkraftwerk: Aufbau und Funktionsweise

Laufwasserkraftwerke nutzen die natürliche Strömung eines Flusses, um Energie zu erzeugen, ohne dass ein großer Staudamm notwendig ist. Die Turbine läuft durch den kontinuierlichen Wasserfluss dauerhaft und ermöglicht eine konstante Stromproduktion. Der große Vorteil liegt in der minimalen Umweltbeeinflussung. Allerdings hängt die Leistung von der Wassermenge und Fließgeschwindigkeit ab, was zu saisonalen Schwankungen führen kann.

Gezeitenkraftwerk: Aufbau und Funktionsweise

Gezeitenkraftwerke nutzen den Wechsel zwischen Ebbe und Flut, um Energie zu erzeugen. Durch Dämme oder Barrieren an Küsten oder Meeresbuchten wird der Wasserstandsunterschied zwischen den Gezeiten ausgenutzt. Turbinen werden dabei durch das einströmende Wasser bei Flut oder das ausströmende Wasser bei Ebbe angetrieben. Gezeitenkraftwerke bieten den Vorteil einer exakt vorhersehbaren Energieerzeugung, da Gezeitenrhythmen astronomisch berechenbar sind.

Wellenkraftwerk: Aufbau und Funktionsweise

Wellenkraftwerke gewinnen Energie aus der Bewegung von Meereswellen. Dabei kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Einige Anlagen arbeiten mit schwimmenden Körpern, die durch das Auf und Ab der Wellen bewegt werden, andere nutzen Druckunterschiede in Luft- oder Wassersäulen. Die Technologie gilt als vielversprechend für Küstenregionen, befindet sich aber noch weitgehend in der Pilot- und Entwicklungsphase.

Energieumwandlung im Wasserkraftwerk

In einem Wasserkraftwerk durchläuft das Wasser eine geordnete Kette von Energieumwandlungen. Aus der potenziellen Energie des aufgestauten Wassers entsteht kinetische Energie, daraus mechanische Energie und schließlich elektrischer Strom, der ins Netz eingespeist wird.

• Potenzielle Energie: Energie, die durch Höhenunterschiede entsteht. Im Stausee oder Oberbecken ist die potenzielle Energie des Wassers besonders hoch. Das Fallenlassen des Wassers setzt die Umwandlung in Bewegungsenergie in Gang.
• Kinetische Energie: Sobald das Wasser freigegeben wird und zu fließen beginnt, wandelt sich die potenzielle Energie in kinetische Energie um. Die Menge der kinetischen Energie hängt von der Wassermenge und der Fließgeschwindigkeit ab.
• Mechanische Energie: Die kinetische Energie des fließenden Wassers treibt die Turbinen an. Die Effizienz dieser Umwandlung bestimmt maßgeblich, wie viel Strom die Anlage erzeugt.
• Elektrische Energie: Die Drehbewegung der Turbine setzt im Generator durch elektromagnetische Induktion elektrischen Strom frei. Stator und Rotor arbeiten dabei nach dem gleichen physikalischen Grundprinzip wie in einem Fahrzeug-Dynamo.
• Hydraulische Energie: In Anlagen mit Druckwasserspeicherung wie Pumpspeicherkraftwerken spielt zusätzlich der Wasserdruck in geschlossenen Rohrsystemen eine Rolle. Er beschleunigt das Wasser zielgerichtet auf die Turbinenschaufeln und erhöht so den Ertrag.