Wasserkraft wurde schon in vorindustrieller Zeit zum Antrieb von Mühlen, Säge- und Hammerwerken genutzt. Die kinetische und potenzielle Energie einer Wasserströmung wird über ein Turbinenrad in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, die zum Antrieb von Maschinen oder Generatoren genutzt werden kann. Heute wird mit Wasserkraft in Deutschland fast ausschließlich elektrischer Strom erzeugt.
Die Wasserkraft ist eine ausgereifte Technologie, mit der weltweit, an zweiter Stelle nach der traditionellen Nutzung von Biomasse, der größte Anteil an erneuerbarer Energie erzeugt wird.
Die Rolle der Wasserkraft zukünftig
Die größten Potenziale zur Nutzung der Wasserkraft liegen in den südlichen Bundesländern, da hier der Voralpenraum für ein günstiges Gefälle sorgt. Die wesentlichen Potenziale der Wasserkraft liegen im Ersatz, in der Modernisierung und Reaktivierung vorhandener Anlagen sowie im Neubau an bestehenden Querbauwerken. Dabei müssen alle Umweltanliegen ausgewogen berücksichtigt werden. Eine Leistungssteigerung verbunden mit der Verbesserung der gewässerökologischen Situation ist dabei das Ziel der Bundesregierung.
Unterscheidung der Wasserkraftwerke
Wasserwerke unterscheiden sich in kleine (kleiner 1 MW) und große Anlagen (größer 1 MW). Von den großen Wasserkraftanlagen in Deutschland sind 20% Speicherkraftwerke und 80% Laufwasserkraftwerke.
Kleinwasserkraftwerke
Es besteht ein gewisses Ausbaupotenzial bei Kleinwasserkraftanlagen, insbesondere durch die Modernisierung und Reaktivierung bestehender Anlagen oder durch vereinzelten Neubau an bestehenden Querbauwerken. Dabei ist den Anliegen des Naturschutzes und der Gewässerökologie Rechnung zu tragen. Die Anlagen werden sowohl im Inselbetrieb als auch netzgekoppelt eingesetzt. Technisch handelt es sich hier ebenfalls um Speicher- oder Laufwasserkraftwerke, die aufgrund kleinerer Fallhöhen und Wassermengen aber nur geringere Leistungen liefern. Die Kosten für den Bau von Wasserkraftanlagen sind grundsätzlich an die Höhe der installierten Leistung gebunden, aber auch abhängig von der Fallhöhe, von den weiteren Standortbedingungen und insbesondere von den notwendigen ökologischen Maßnahmen.
Speicherkraftwerke
Speicherkraftwerke nutzen das hohe Gefälle und die Speicherkapazität von Talsperren und Bergseen zur Stromerzeugung. Beim Talsperren-Kraftwerk befinden sich die Turbinen am Fuß der Staumauer. Beim Bergspeicherkraftwerk wird ein in der Höhe liegender See über Druckrohrleitungen mit der im Tal liegenden Kraftwerksanlage verbunden. Speicherkraftwerke können sowohl zur Deckung der elektrischen Grundlast als auch im Spitzenlastbetrieb eingesetzt werden. Pumpspeicherkraftwerke werden nicht durch natürliche Wasservorkommen, sondern durch aus dem Tal gepumptes Wasser aufgefüllt. Damit wird in Schwachlastzeiten erzeugter elektrischer Strom als potenzielle Energie des Wassers zwischengespeichert und kann in Spitzenlastzeiten wieder über eine Turbine abgerufen werden.
Laufwasserkraftwerke
Laufwasserkraftwerke nutzen die Strömung eines Flusses oder Kanals zur Stromerzeugung. Charakteristisch ist eine niedrige Fallhöhe bei relativ großer, oft jahreszeitlich mehr oder weniger stark schwankender Wassermenge. Die Anlagen werden aus wirtschaftlichen Gründen oft in Verbindung mit Schleusen gebaut.
In einer des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit werden Wasserkraftpotenziale näher beschrieben.
Wasserkraftwerke können je nach Anlagetyp in verschiedene Arten unterteilt werden. Dabei geht es um die Frage, auf welche Weise die mechanische Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies kann auf natürlichem Weg oder auf künstliche Weise geschehen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Laufwasserkraftwerk und Speicherkraftwerk.
Auch anhand der Fallhöhe des Wassers, also dem Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser, lassen sich Kraftwerke in unterschiedlich Typen einteilen. Dabei gilt: Je höher das Gefälle, desto mehr Druck hat das Wasser. Folgende Arten gibt es:
- Niederdruckkraftwerk: bei einer Fallhöhe bis etwa 25 Meter
- Mitteldruckkraftwerk: wenn das Gefälle bis zu 100 Meter beträgt
- Hochdruckkraftwerk: ab einer Fallhöhe von 100 Meter
Laufwasserkraftwerk
Laufwasserkraftwerke befinden sich – der Name verrät es vielleicht schon – in der Regel in einem Fließgewässer. Die Fallhöhe ist dabei meist eher gering. Laufwasserkraftwerke beziehen ihren Strom aus der kinetischen Energie des strömenden Flusswassers. Dieses fließt direkt in das Kraftwerk über die Schaufeln einer Turbine. Der damit verbundene Generator wandelt die Rotationsbewegung anschließend in elektrische Energie um.
Für Laufwasserkraftwerke werden meist sogenannte Kaplanturbinen verwendet. Diese sind für weniger ausgeprägte Gefälle und große Wassermengen konzipiert.
Wasserkraftwerke dieser Art werden zur Deckung der Grundlast verwendet. Da das Flusswasser permanent durch das Kraftwerk fließt, produzieren sie rund um die Uhr dieselbe Menge an Strom. Der große Nachteil: Laufwasserwerke sind den natürlichen Schwankungen eines Flusses unterworfen, der nie das ganze Jahr über dieselbe Wassermenge bringt. Hoch- oder Niedrigwasser können daher zu verminderter Leistung führen. Solche Schwankungen sind allerdings meist gut vorhersehbar.
Speicherkraftwerke
Speicherkraftwerke beziehen ihren Strom – im Gegensatz zu Laufwasserkraftwerken – aus der potenziellen Energie des Wassers. Dazu wird das Wasser zuerst in einem höhergelegenen Speicherbecken gesammelt. Dieses ist oftmals künstlich angelegt, zum Beispiel in Form eines Stausees. Die Fallhöhe des Wassers spielt hier eine wesentliche Rolle und kann mehrere hundert Meter bis über 1.000 Meter betragen.
Über Rohrleitungen oder Stollen wird das Wasser zu den Turbinen geleitet, welche die Stromgeneratoren antreiben. Je nach Fallhöhe kommen hier für große Fallhöhen Peltonturbinen oder für mittlere Fallhöhen Francisturbinen zum Einsatz.
Speicherkraftwerke sind für den Dauerbetrieb zu schade, und werden daher bei erhöhtem Strombedarf, und damit bei höheren Strompreisen, eingesetzt. Durch das Speicherbecken ist der Wasserdurchfluss gut regulierbar. Das hohe Gefälle sorgt dafür, dass das Wasser mit starkem Druck in die Turbinen fließt. Speicherkraftwerke dienen somit zur Deckung der Spitzenlast im Stromnetzwerk.
Was bedeutet das? Speicherkraftwerke kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn der Energiebedarf kurzfristig steigt. Beispielsweise nach Feierabend, wenn viele Leute zur gleichen Zeit am Elektroherd stehen oder es sich vor dem Fernseher gemütlich machen. Aber auch bei unvorhergesehenem Leistungsanstieg – wie dem Ausfall eines anderen Kraftwerks – dienen Speicherkraftwerke als schnell einsetzbare Reserve.
Weitere spezielle Arten von Wasserkraftwerken
Neben der allgemeinen Einteilung in Laufwasserkraftwerk und Speicherkraftwerk gibt es auch noch weitere spezielle Arten von Wasserkraftwerken. Hier werden die wichtigsten kurz vorgestellt:
Diese Art des Wasserkraftwerks funktioniert nach demselben Prinzip wie ein Speicherkraftwerk. Mit einem Unterschied: Pumpspeicherkraftwerke können das Wasser, nachdem es vom Stausee durch die Turbinen geflossen ist, bei Bedarf wieder hochpumpen. So wird das Speicherbecken wieder befüllt und das Wasser kann erneut zur Stromgewinnung verwendet werden.
Um das Unterwasser hochpumpen zu können, wird überschüssig produzierte Elektroenergie aus Zeiten von geringem Strombedarf (z.B. nachts) verwendet. Pumpspeicherkraftwerke dienen – genau wie Speicherkraftwerke – zur Deckung des Strombedarfs in Spitzenbelastungszeiten.
Gezeitenkraftwerke funktionieren ähnlich wie Laufwasserkraftwerke. Sie werden in Form eines Dammes an Meeresbuchten errichtet. Solche Kraftwerke machen sich die wechselnde Bewegung der Gezeiten zunutze. Bei Flut drehen die Turbinen in eine Richtung, bei Ebbe in die andere Richtung.
Voraussetzung für die Leistungsstärke eines Gezeitenkraftwerkes ist ein ausreichender Tidenhub, also der Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut, von mindestens ca. 6 Metern.
Diese Wasserkraftwerke sind eine relative junge Erfindung. Alle bisher bestehenden Wellenkraftwerke befinden sich noch in der Erprobungsphase. Wie ihr Name schon verrät, machen sie sich die Wasserkraft der strömenden Meereswellen zunutze.
Dazu gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Eine Variante ist das Leiten der Wellen in eine Betonkammer. Durch die komprimierte Luft werden Turbinen angetrieben, welche den Stromgenerator in Bewegung setzen. Bei einem anderen Verfahren werden die Wellen auf eine Rampe geleitet. Von dort fließt das Wasser über Turbinen, welche den Generator antreiben, wieder zurück ins Meer.