Was tun Wasserkraftwerke für die Energiewende?

28. 03. 2024

Wasserkraftwerke und ihre Rolle in der Energiewende

Die Energiewende markiert einen globalen Wendepunkt hin zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Energieversorgung. Ziel ist es, den Ausstoß von Treibhausgasen drastisch zu reduzieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. In diesem Kontext spielen Wasserkraftwerke als eine der ältesten Formen der erneuerbaren Energien eine entscheidende Rolle. In diesem Artikel beleuchten wir, wie Wasserkraftwerke für die Energiewende von Bedeutung sind.

Grundlagen der Wasserkraft

Die Nutzung von Wasserkraft als eine der traditionellsten und verlässlichsten Methoden zur Gewinnung von erneuerbarer Energie gewinnt zunehmend an Bedeutung. In diesem Beitrag werden wir erörtern, was unter Wasserkraft zu verstehen ist, wie sie generiert wird, ihre Bedeutung für die gegenwärtige und zukünftige Versorgung mit Energie und weitere relevante Aspekte.

Wasserkraft, oft als Hydroenergie bezeichnet, nutzt die Bewegungsenergie des Wassers zur Umwandlung in elektrischen Strom. Diese Energiegewinnung macht sich die Geschwindigkeit des Wassers in Fließgewässern oder die potenzielle Energie, die in Staudämmen gespeichert ist, zunutze.

Die Vielfalt der Wasserkraftanlagen ist groß, doch das zugrundeliegende Prinzip ihrer Funktionsweise bleibt identisch: Wasser strömt durch die Anlage, wobei seine Bewegungs- oder Höhenenergie durch Turbinen eingefangen wird. Diese Energie wird dann an einen Generator weitergeleitet, der sie in Strom umwandelt.

Wie funktionieren Wasserkraftwerke?

Durch den Einsatz speziell angefertigter Turbinen, die auf ihren Einsatzort und -zweck zugeschnitten sind, wird in Wasserkraftanlagen die kinetische Energie des Wassers in elektrischen Strom umgewandelt. Die Kraft des strömenden Wassers treibt diese Turbinen an, wodurch sie zu rotieren beginnen. Diese Rotationsbewegung wird dann an einen Generator weitergegeben, der die mechanische in elektrische Energie transformiert.

Die Dimensionen der Turbinen können je nach der Größe der Anlage variieren und erreichen dabei Durchmesser von mehreren Metern. In umfangreichen Kraftwerken können die Dimensionen der Generatoren die Größe eines LKW erreichen. Aber wie wird der produzierte Strom an die Verbraucher übermittelt? Üblicherweise wird ein Wasserkraftwerk mit einem Umspannwerk verbunden, wodurch die erzeugte elektrische Leistung in das Hochspannungsnetz eingespeist und zu den Endnutzern transportiert wird.

Es existieren unterschiedliche Typen von Wasserkraftanlagen, die basierend auf ihrer Methode der Energiegewinnung klassifiziert werden. Im Allgemeinen wird zwischen Flusskraftwerken und Speicherkraftwerken differenziert, abhängig davon, ob die Energie auf natürliche Weise fließt oder künstlich gespeichert wird.

Weiterhin kann man Wasserkraftwerke nach der Fallhöhe des Wassers einteilen, also dem vertikalen Abstand zwischen dem Wasserzulauf und -auslauf. Hierbei gilt, dass mit zunehmendem Gefälle auch der Wasserdruck steigt. Es wird zwischen Niederdruckkraftwerken (bis ca. 25 Meter Fallhöhe), Mitteldruckkraftwerken (bis zu 100 Meter Fallhöhe) und Hochdruckkraftwerken (über 100 Meter Fallhöhe) unterschieden.

Typen von Wasserkraftwerken und ihre Anwendungsgebiete

Laufwasserkraftwerke: Diese befinden sich gewöhnlich in Strömen und Flüssen und machen sich die Bewegungsenergie des Wassers zunutze. Typischerweise weisen sie eine niedrige Fallhöhe auf. Das durchströmende Wasser aktiviert die Turbinen, häufig Kaplanturbinen, die für eine niedrige Neigung und hohe Wasserdurchflussraten konzipiert sind, um Strom zu erzeugen. Die auch als Fließwasserkraftwerke bezeichneten Einheiten laufen kontinuierlich und leisten einen Beitrag zur Basiselektrizitätsversorgung. Ihre Effizienz kann jedoch durch Schwankungen im Wasserstand des Flusses beeinträchtigt werden.
Speicherwasserkraftwerke: Anders als ein Laufwasserkraftwerk, das auf die Bewegungsenergie setzt, nutzen Speicherwasserkraftwerke die potenzielle Energie gespeicherten Wassers. Das Wasser wird in einem oberhalb gelegenen Becken, beispielsweise einem Stausee, gesammelt. Die Fallhöhe kann hierbei von einigen hundert bis zu mehreren tausend Metern reichen. Über Rohrleitungen wird das Wasser den Turbinen zugeleitet, die je nach Höhendifferenz mit Peltonturbinen oder Francisturbinen ausgestattet sind, um Elektrizität zu produzieren. Speicherwasserkraftwerke kommen primär bei Spitzenlasten zum Einsatz, da sie rasch hochgefahren werden können und eine effektive Regulierung des Wasserflusses ermöglichen.
Pumpspeicherkraftwerke: Diese arbeiten nach dem Prinzip der Speicherwasserkraftwerke, haben jedoch die zusätzliche Fähigkeit, das genutzte Wasser zurück in das Speicherbecken zu pumpen. Sie finden vornehmlich während der Zeiten hoher Last Anwendung und verwenden überschüssige Energie in Phasen niedrigerer Nachfrage, um das Wasser zurückzupumpen.
Gezeitenkraftwerke und Wellenkraftwerke: Gezeitenkraftwerke nutzen den regelmäßigen Zyklus von Hoch- und Niedrigwasser in Küstenregionen, indem sie Dämme in Meeresbuchten errichten, die einen bedeutenden Tidenhub aufweisen. Wellenkraftwerke hingegen, die sich noch in der Entwicklungsphase befinden, konvertieren die Energie der Meereswellen mittels verschiedener Techniken in elektrischen Strom, beispielsweise durch das Anstoßen von Turbinen mit Druckluft in Betonbehältern oder durch das Umleiten der Wellen über Rampen.

Was tragen Wasserkraftanlagen zur Energiewende bei?

Wasserkraftwerke spielen eine essenzielle Rolle bei der Reduktion von Treibhausgasemissionen, da sie während ihres Betriebs keine direkten Emissionen freisetzen und somit zur Reduktion des Kohlenstoffausstoßes im Energiebereich beitragen. Besonders in wasserreichen Regionen ist ihr Beitrag unverzichtbar.

Sie bieten zudem eine effiziente Methode zur Speicherung von überschüssiger Energie aus erneuerbaren Quellen. Pumpspeicheranlagen können überschüssige Energie in Zeiten niedriger Nachfrage speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Des Weiteren tragen Wasserkraftwerke zur Stabilität des Stromnetzes und zur Sicherstellung der Energieversorgung bei, indem sie in Zeiten geringer Erzeugung aus Wind und Sonne als zuverlässige Energiequelle dienen.

Beitrag zur CO2-neutralen Energieproduktion

Insbesondere Kleinwasserkraftwerke erzeugen während ihres Betriebs fast keine Emissionen. Zwar entstehen bei Neubau oder Sanierung durch den Einsatz von Beton einmalig Emissionen, doch im regulären Betrieb ist der CO2-Ausstoß eines Kleinwasserkraftwerks praktisch zu vernachlässigen. Über ihre gesamte Lebensdauer von bis zu 100 Jahren betrachtet, ist der Beitrag von Kleinwasserkraft zur CO2-Emission minimal. Damit spielt Kleinwasserkraft eine führende Rolle in der nachhaltigen Energiegewinnung und ist eine unverzichtbare Quelle erneuerbarer Energie.

Vorteile der Wasserkraft im Kontext der Energiewende

Bewährte und reife Technologie: Wasserkraftnutzung reicht weit in die Geschichte zurück, schon lange vor der industriellen Revolution wurde sie für den Betrieb von Mühlen und Sägewerken eingesetzt. Die ersten Anlagen zur Energiegewinnung mittels Wasserkraft entstanden bereits im späten 19. Jahrhundert.
Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit: Wasserkraftanlagen zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Lebensdauer und günstige Amortisationsbedingungen aus. Obwohl die anfänglichen Investitionskosten hoch sein können, werden diese durch die lange Nutzungsdauer und niedrigen laufenden Kosten ausgeglichen. Geringe Wartungserfordernisse und seltene Modernisierungsnotwendigkeiten führen zu niedrigeren Gesamtlebenszykluskosten und hohen Restwerten.
Umweltverträglichkeit: Kleine bis mittelgroße Wasserkraftwerke haben in der Regel einen minimalen oder keinen negativen Einfluss auf das Ökosystem. Sie fügen sich harmonisch in die Landschaft ein und werden oft an Standorten errichtet, die sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht vorteilhaft sind.
Geringe Variabilität und Grundlastfähigkeit: Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie unterliegt Wasserkraft weniger Schwankungen und kann kontinuierlich Energie liefern, was sie zu einer verlässlichen Basislastquelle macht.
Überlegenheit in Energieeffizienz: Die Effizienzrate der Wasserkraft übertrifft die anderer Energieformen erheblich, mit durchschnittlichen Wirkungsgraden um 90%. Bezogen auf die installierte Leistung generiert ein Wasserkraftwerk jährlich etwa 5 Gigawattstunden Strom pro Megawatt installierter Kapazität, was ungefähr dem Fünffachen der Produktion einer vergleichbaren Photovoltaikanlage entspricht.

Nachteile der Wasserkraft im Kontext der Energiewende

Raumbedarf und soziale Folgen: Der Aufbau von Staudämmen und die Schaffung von Reservoirs erfordern umfangreiche Flächennutzung, was die Umsiedlung der ansässigen Bevölkerung nach sich ziehen kann und in manchen Fällen zur Überflutung kulturell bedeutsamer Stätten führt.
Auswirkungen auf Ökosysteme: Der Bau von Wasserkraftwerken kann tiefgreifende Veränderungen in Flora und Fauna bewirken und die natürliche Struktur der Fließgewässer beeinträchtigen. Zusätzlich erfordern die notwendigen baulichen Maßnahmen, wie die Errichtung von Fischwegen, um die natürlichen Höhenunterschiede zu überbrücken, einen hohen Aufwand.
Sedimentation im Reservoir: Die Ansammlung von Schwebstoffen und Sedimenten im Stauraum führt zur Versandung und Verschlammung, was die Kapazität des Reservoirs verringert und dessen Funktionalität einschränkt.
Beeinträchtigung des Grundwasserhaushalts: Die Veränderung der Wasserführung durch Wasserkraftwerke kann den Grundwasserstand entweder absenken oder anheben und potenziell zur Verunreinigung des Grundwassers beitragen, was ökologische und wirtschaftliche Konsequenzen nach sich zieht.

Perspektiven für Wasserkraft als erneuerbare Energie in Deutschland

Die Gewinnung von elektrischer Energie mittels Wasserkraft zeigt in Deutschland eine breite Streuung und unterscheidet sich deutlich je nach Region, was sowohl auf die jeweilige Wasservielfalt als auch auf infrastrukturelle Bedingungen zurückzuführen ist. Daher sind der gegenwärtige Zustand und das potenzielle Ausbauvermögen der Wasserkraft zentrale Aspekte für die deutsche Energiepolitik und die Erreichung der Klimaziele.

Wasserkraftnutzung aktuell

Momentan bildet die Wasserkraft eine wesentliche Säule der erneuerbaren Energieversorgung in Deutschland. Sie dient nicht nur der Stromproduktion, sondern auch der Sicherung der Netzstabilität und der Bereitstellung von Regelenergie. Überall im Land findet man eine breite Palette von Wasserkraftwerken – von kleinen Anlagen in Fließgewässern bis zu umfangreichen Speicherwerken in den Bergen. Der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) beziffert die Gesamtkapazität der deutschen Wasserkraftwerke auf rund 5.600 Megawatt.

Es gilt jedoch zu beachten, dass die Wasserkraft in Deutschland aufgrund verschiedener Herausforderungen wie Umweltschutzbedenken und infrastrukturellen Beschränkungen nur bedingt wirkungsvoll eingesetzt werden kann.

Zukunftsaussichten der Wasserkraft

Verschiedene Untersuchungen haben sich mit den Voraussetzungen für eine Stromversorgung beschäftigt, die ausschließlich auf erneuerbaren Energiequellen basiert, unter anderem die Studie „RESCUE – Wege in eine ressourcenschonende Treibhausgasneutralität“ des Umweltbundesamtes. Die Ergebnisse dieser Studien, sowohl aus progressiven als auch aus konservativen Perspektiven, zeigen nur minimale Unterschiede in Bezug auf die zukünftige Rolle der Wasserkraft. Es wird erwartet, dass die Wasserkraft einen bescheidenen Anteil an der gesamten deutschen Stromproduktion haben wird, da sie bereits nahezu ihr gesamtes technisches und ökologisches Potential erreicht hat.

Wasserkraft im Kontext des Klimawandels Die Vorhersagen für die zukünftige Stromproduktion mittels Wasserkraft müssen auch die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigen, da diese direkt von der verfügbaren Wassermenge abhängen. Untersuchungen des Umweltbundesamtes zu den potenziellen Folgen des Klimawandels auf die Wasserkrafterträge deuten darauf hin, dass bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts eine Verringerung der Stromerzeugung durch Wasserkraft um ein bis vier Prozent und danach bis zu 15 Prozent möglich ist.

Analysen an spezifischen Standorten entlang des Hochrheins, des Lechs und des Mains zeigen, dass die Stromproduktion um bis zu neun Prozent schwanken kann, je nachdem, wie viel Wasser zur Verfügung steht. Um die potenziellen Einbußen in der Energiegewinnung durch Wasserkraft auszugleichen, wird empfohlen, die Effizienz der Anlagen zu steigern und die Genauigkeit der Prognosemodelle für den Oberflächenwasserabfluss zu verbessern.

Wasserkraftwerke für die Energiewende: Ein Fazit

Wasserkraftwerke spielen eine fundamentale Rolle in der globalen Bewegung hin zu einer nachhaltigeren und klimafreundlicheren Energieversorgung, indem sie auf erneuerbare Ressourcen setzen, um den Ausstoß von Treibhausgasen zu minimieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren. Als eine der ältesten Formen der Energiegewinnung, die bereits vor der industriellen Revolution genutzt wurde, bietet die Wasserkraft durch ihre ausgereifte Technologie und die Fähigkeit, erhebliche Mengen an elektrischer Energie zu erzeugen, eine zuverlässige Lösung für die Energiewende. Ihre langfristige Wirtschaftlichkeit, unterstützt durch die Langlebigkeit der Anlagen und niedrige Betriebskosten, macht sie zu einem attraktiven Bestandteil im Energiemix.

Die positive Auswirkung der Wasserkraft auf die Reduktion von CO2-Emissionen, ihre Unterstützung für eine Reihe von nachhaltigen Entwicklungszielen der UN und die Möglichkeit, eine kontinuierliche Energieversorgung zu gewährleisten, unterstreichen ihren Wert für eine nachhaltige Zukunft. Zugleich stellt die Integration von Klein- und Mittelwasserkraftwerken, die das ökologische Gleichgewicht weitestgehend respektieren, einen Schritt in Richtung einer umweltfreundlichen Energieproduktion dar. Ihre Grundlastfähigkeit und überlegene Energieeffizienz, verglichen mit anderen erneuerbaren Energiequellen, betonen die Bedeutung der Wasserkraft als Rückgrat der Energiewende.

Dennoch sind die Herausforderungen, die mit der Nutzung von Wasserkraft einhergehen, wie der Flächenverbrauch, ökologische Auswirkungen und die potenzielle Beeinträchtigung des Grundwasserhaushalts, kritisch zu betrachten. Diese Aspekte erfordern eine sorgfältige Planung und die Entwicklung nachhaltiger Lösungen, um den Nutzen der Wasserkraft vollständig ausschöpfen zu können, ohne dabei die Umwelt zu gefährden.

Die Zukunft der Wasserkraft in Deutschland und weltweit sieht sich mit der Notwendigkeit konfrontiert, sowohl technische als auch ökologische Potenziale sinnvoll zu nutzen und die Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Klimawandel und ökologische Nachhaltigkeit, effektiv zu adressieren. Die Optimierung bestehender Anlagen und die präzise Vorhersage von Wasserressourcen sind entscheidende Schritte, um die Wasserkraft als eine zentrale Säule der erneuerbaren Energie weiterhin zu stärken und ihren Beitrag zur Erreichung einer klimaneutralen Energieversorgung zu maximieren.

Häufig gestellte Fragen

Warum sind Wasserkraftwerke entscheidend für die Energiewende?

Wasserkraftwerke sind für die Energiewende von zentraler Bedeutung, weil sie langfristig zur drastischen Reduktion von Treibhausgasemissionen und zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen beitragen. Als eine der ältesten Formen der erneuerbaren Energie liefern sie eine zuverlässige und nachhaltige Energiequelle, die maßgeblich zur Erreichung der Ziele einer umweltfreundlicheren Energieversorgung beiträgt.

Wie funktioniert die Energiegewinnung in Wasserkraftwerken?

In Wasserkraftwerken wird die Bewegungs- oder potenzielle Energie des Wassers genutzt, um Elektrizität zu erzeugen. Das Prinzip basiert darauf, dass Wasser durch die Anlage strömt und Turbinen antreibt, die wiederum die Bewegungs- oder Höhenenergie in elektrische Energie umwandeln. Speziell angefertigte Turbinen, die an den jeweiligen Standort angepasst sind, spielen dabei eine zentrale Rolle.

Was sind die Haupttypen von Wasserkraftanlagen und ihre Besonderheiten?

Wasserkraftanlagen lassen sich in Laufwasserkraftwerke, Speicherwasserkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke sowie Gezeiten- und Wellenkraftwerke unterteilen. Laufwasserkraftwerke nutzen die Bewegungsenergie in Fließgewässern und sind für kontinuierliche Energieversorgung geeignet. Speicherwasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke nutzen die potenzielle Energie des gespeicherten Wassers, wobei Pumpspeicherkraftwerke zusätzlich Wasser zurück in das Reservoir pumpen können. Gezeitenkraftwerke nutzen den regelmäßigen Wechsel von Ebbe und Flut, während Wellenkraftwerke die Energie der Meereswellen umwandeln.

Wie trägt die Wasserkraft zur CO2-neutralen Energieproduktion bei?

Wasserkraftwerke, insbesondere Kleinwasserkraftanlagen, produzieren während ihres Betriebs nahezu keine Emissionen. Die bei Neubau oder Sanierung entstehenden Emissionen werden über die lange Lebensdauer der Anlagen, die bis zu 100 Jahre betragen kann, weitgehend neutralisiert. Dies macht Wasserkraft zu einer führenden Rolle in der nachhaltigen Energiegewinnung und einer unverzichtbaren Quelle erneuerbarer Energie.

Welche Herausforderungen und Nachteile sind mit der Nutzung von Wasserkraft verbunden?

Trotz der Vorteile sind mit der Nutzung von Wasserkraft auch Herausforderungen verbunden, wie der Bedarf an großen Flächen für Staudämme, die Umsiedlung von Bewohnern, Überflutung von Kulturgütern, ökologische Auswirkungen auf Flora und Fauna sowie Sedimentation im Stauraum. Diese Faktoren erfordern sorgfältige Planung und Management, um negative Auswirkungen zu minimieren.

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Carina Dietze

Carina Dietze ist Journalistin, Autorin und Übersetzerin. In ihrer Arbeit verbindet sie ihr Interesse an Nachhaltigkeit mit ihrer Leidenschaft für das Schreiben. Neben ihrer Arbeit für Erneuerbare Energien Aktuell schreibt sie auch regelmäßig für namhafte deutsch- und englischsprachige Medien über Themen wie die Energiewende, Elektromobilität und damit zusammenhängende lokale wie weltpolitische Entwicklungen.

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