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Sauber, klar, zuverlässig! Aus Wasserkraft lässt sich klimaschonend Strom gewinnen. Wie das geht, erfährst du hier!
Auf die Idee, die Kraft des Wassers zu nutzen, kamen Menschen schon früh: Man baute Wasserräder in Flussläufe und schon klapperten die Mühlen, das Sägewerk oder ein Hammerwerk am rauschenden Bach.
Auch heute nutzen wir die Energie des Wassers. Im Bereich der erneuerbaren Energien ist Wasserkraft besonders wichtig. Anders als Sonne und Wind ist Wasser eine sehr zuverlässige ergänzende Quelle. In Wasserkraftwerken kann rund um die Uhr CO₂-frei und damit klimaschonend Strom produziert werden.
Datum: 16. Oktober 2024 | Lesezeit: 7 Minuten
In einem Wasserkraftwerk wird die Energie von fließendem oder gestautem Wasser in elektrische Energie umgewandelt. Als Wasserkraft – auch Hydroenergie genannt – bezeichnet man die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Was wir dafür brauchen? Durch den Wasserfluss angetriebene Turbinen und einen Generator, der aus der mechanischen Energie Strom erzeugt.
Je nach Bauart unterscheidet man zwischen verschiedenen Kraftwerkstypen. Am häufigsten gibt es die sogenannten Laufwasserkraftwerke. Sie sind an Flüssen gebaut und nutzen die Energie des fließenden Wassers. Speicherkraftwerke haben große Stauseen, Pumpspeicherkraftwerke können Energie besonders gut speichern und Gezeitenkraftwerke nutzen die Kraft von Ebbe und Flut.
Rund 7300 Wasserkraftanlagen gibt es derzeit in Deutschland. Eine beeindruckende Zahl! Das größte Pumpwasserkraftwerk Deutschlands, gleichzeitig eines der größten Europas, liegt im Thüringer Schiefergebirge am Fluss Schwarza und das Rheinkraftwerk Iffezheim in der Nähe von Karlsruhe ist dabei das größte Laufwasserkraftwerk. Übrigens: Mehr als 80 % des Wasserkraftstroms in Deutschland liegen im Süden des Landes, insbesondere in Bayern und Baden-Württemberg. Daran sind übrigens die Berge „schuld“, denn dank der bergigen Topografie entsteht viel Gefälle, sodass die Turbinen ideal mit Wasser angetrieben werden können.
Das Beispiel zeigt den Aufbau eines Laufwasserkraftwerkes, das nicht nur zu den einfachsten Typen in der Wasserkrafttechnik zählt, sondern auch am häufigsten in Deutschland existiert. Laufwasserkraftwerke liefern 24 Stunden am Tag Strom. Ihr Problem: Sie sind nicht regulierbar, weshalb der dort erzeugte Strom für die Grundlast verwendet wird – also die Menge an Strom, die täglich in jedem Fall bereitgestellt werden muss.
Im Grunde arbeiten Wasserkraftwerke nicht anders als die klappernde Mühle am Bach. Während früher jedoch lediglich mechanische Energie erzeugt wurde, können moderne Wasserkraftwerke heute mehr: Sie nutzen die mechanische Energie zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Die Kraft des fließenden Wassers wird heute durch eine Wehranlage gesteigert. Das Wasser des Flusses wird gestaut. Hierdurch entsteht ein Höhenunterschied, die sogenannte Fallhöhe. Je größer die Fallhöhe des Wassers ist, desto höher ist die Kraft des Wassers, die zur Energiegewinnung genutzt wird.
Im Kraftwerk wird das Wasser auf Turbinen geleitet. In den Turbinen befindet sich ein Schaufelrad ähnlich einer großen Schiffsschraube, das durch den Aufprall des Wassers in Bewegung gesetzt wird.
Die Turbinen treiben Generatoren an, die ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo die mechanische Energie des Schaufelrads in Strom umwandeln. Vom Kraftwerk aus wird der Strom transformiert und ins Stromnetz eingespeist. Die manchmal haushohen Turbinen in einem Wasserkraftwerk können somit Strom für hunderttausende Haushalte liefern.
Ein Laufwasserkraftwerk, auch Flusskraftwerk genannt, ist die klassische Form des Wasserkraftwerks und kommt am häufigsten in Deutschland vor. Es nutzt die kinetische Energie von kontinuierlich fließendem Wasser, um Strom zu erzeugen und besteht aus einem Damm, der einen Fluss aufstaut, und Turbinen im Wasser. Wenn das Wasser durch die Turbinen strömt, treibt es Generatoren an, die wiederum Elektrizität erzeugen. Die Höhe des Dammes bestimmt den Druck des Wassers und damit die Energiemenge, die produziert werden kann. Flusskraftwerke sind nicht nur sehr saubere und nachhaltige Energiequellen, die die Umwelt weniger belasten als fossile Brennstoffe, sondern auch die am häufigsten vorkommende Art von Wasserkraftwerken.
Wasserspeicherkraftwerke funktionieren ähnlich wie Laufwasserkraftwerke: Wasser treibt die Turbinen an. Aus der kinetischen Energie des Wassers wird die mechanische Energie der Turbine, die im Generator in elektrische Energie, oder kurz Strom, umgewandelt wird. Für Wasserspeicherkraftwerke wird die Energie des Wassers gespeichert, indem das Wasser eines Flusses zu einem Stausee aufgestaut wird. Je nach Bedarf wird das Wasser des Sees durch das Wasserkraftwerk geleitet und produziert Strom. Im Unterschied zum Laufwasserkraftwerk fließt das Wasser hier also nicht kontinuierlich durch das Wasserkraftwerk, sondern nur dann, wenn zusätzlicher Strom notwendig ist. Ein Wasserspeicherkraftwerk kann also im Prinzip Strom auf Knopfdruck produzieren.
Das Ziel von Pumpspeicherkraftwerken ist das Speichern von Strom, indem Wasser als Speichermedium genutzt wird. Für ein Pumpspeicherkraftwerk werden große Wassermengen in einem großen Speicherbecken aufgefangen. Befindet sich nicht benötigter Strom im Stromnetz, fließt dieser Strom ins Kraftwerk. Hier treibt er eine Pumpe an, die das Wasser aus dem unteren Becken in das Oberbecken pumpt. Der Strom in den Pumpen wird in kinetische Energie und danach in die potenzielle Energie des Wassers umgewandelt. Das Wasser wird auf ein größeres Höhenniveau angehoben und dort gespeichert. Das Stromnetz ist entlastet, ohne dass Energie verloren geht. In Spitzenlastzeiten wird das Wasser wieder zurück zum Speicherkraftwerk geleitet, wo es durch Turbinen in elektrische Energie zurückverwandelt und ins Stromnetz eingespeist wird.
Gezeitenkraftwerke nutzen die Energie von Ebbe und Flut aus, um Strom zu erzeugen. Sie stehen überall dort, wo es Gezeiten gibt: am Meer oder in großen Flussmündungen. Die Wasserströmungen bei Ebbe und Flut treiben in Gezeitenkraftwerken große Wasserturbinen an und erzeugen über einen Generator Strom. Die Turbine kann sowohl bei Flut in die eine Richtung, als auch bei Ebbe in die andere Richtung angetrieben werden. Ein großer Tidenhub ist für Gezeitenkraftwerke gut, da so mehr Strom erzeugt werden kann. Im Unterschied zu Wasserkraftwerken und Stauseekraftwerken beeinflussen Gezeitenkraftwerke kaum die Natur. Gezeitenkraftwerke sind aber auf Wasserströmungen von Ebbe und Flut angewiesen und können nicht kontinuierlich Strom liefern. Die Wasserbewegung durch Ebbe und Flut wird durch ein Gezeitenkraftwerk nutzbar.
Ganz neu sind sogenannte Wellenkraftwerke, die – wie der Name schon sagt – die Kraft der Meereswellen nutzen, um Energie zu produzieren. Wie die kinetische Energie dabei in elektrische Energie umgewandelt wird, ist je nach Ansatz unterschiedlich. Werden die Wellen in eine Betonkammer geleitet, entsteht Druckluft, durch die wiederum Turbinen angetrieben werden können, die den Stromgenerator in Gang setzen. Werden die Wellen hingegen auf eine Rampe gelenkt und fließen dann wieder hinunter, treibt das abfließende Wasser über Turbinen einen Generator an und fließt dann zurück ins Meer. Beide Arten von Wellenkraftwerken befinden sich noch in sehr intensiven Testphasen.
Ein Unterwasserkraftwerk nutzt die Strömung von Flüssen oder Meeresgewässern, um elektrische Energie zu erzeugen. Es besteht aus Turbinen, die in fließenden Gewässern und unter Wasser installiert werden. Diese Turbinen werden von der Strömung angetrieben und übertragen die Bewegungsenergie auf Generatoren, die Strom erzeugen. Unterwasserkraftwerke sind umweltfreundlich, da sie keine Treibhausgase emittieren und den natürlichen Fluss des Wassers nicht beeinträchtigen.
Ein Mikrowasserkraftwerk ist eine kleine Anlage zur Energieerzeugung, die die kinetische Energie von Flüssen oder sogar Bächen nutzt. Es besteht aus einer Turbine, einem Generator und einer Steuereinheit. Das Wasser strömt durch die Turbine, die sich dreht und den Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Diese Anlagen können in natürlichen oder künstlichen Wasserläufen installiert werden, sind dezentralisiert aufgebaut und liefern hauptsächlich Strom für lokale Energiebedürfnisse.
Ein Osmosekraftwerk nutzt den osmotischen Druckunterschied zwischen Salzwasser und Süßwasser, um Energie zu erzeugen. Es besteht aus halbdurchlässigen Membranen, die das Salzwasser vom Süßwasser trennen. Durch die Membranen gelangt das Süßwasser zum Salzwasser, wodurch der Druck auf der Salzwasserseite steigt. Dieser Druck wird dann genutzt, um Turbinen und Generatoren anzutreiben, die elektrische Energie erzeugen. Osmosekraftwerke sind bisher aufgrund technischer Herausforderungen nur begrenzt einsetzbar, sie könnten aber eine wichtige Rolle in der zukünftigen nachhaltigen Energieerzeugung spielen.
Fest steht: Wasserkraft nimmt dank ihres beeindruckenden Wirkungsgrades von satten 90 % eine herausragende Stellung unter den erneuerbaren Energiequellen ein. Im Klartext bedeutet das: 90 % der durch Wasser vorhandenen Energie kann in elektrischen Strom umgewandelt werden. Eine ausgezeichnete Bilanz! Kurzum: Wasserkraftwerke sind gerade im Vergleich mit Windenergie mit einem Wirkungsgrad von 45 % und Solarenergie mit einem Wirkungsgrad von durchschnittlich 25 % eine extrem effiziente Methode der Stromerzeugung.
Wie viel Stromertrag ein Wasserkraftwerk tatsächlich erbringt, hängt von drei entscheidenden Faktoren ab:
Zum Vergleich: Um eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen, benötigen wir einen Wasserfluss von 1,5 Litern pro Sekunde über eine Stunde, bei einer Fallhöhe des Wassers von 100 Metern.
Die Effizienz von Wasserkraftwerken ist quasi unschlagbar: Denn mit einem Wirkungsgrad von 90 % sind sie anderen Formen der nachhaltigen Energiegewinnung klar überlegen und unabhängig von Wetterbedingungen, Tages- und Jahreszeiten. Und klar: Im Gegensatz zur Nutzung von Öl, Kohle oder Gas ist bei Wasserkraftwerken keine Rohstoffnutzung erforderlich und Wasser ist eine stets erneuerbare Energiequelle.
Wasserkraftwerke können nicht überall errichtet werden und sind nur an besonders geeigneten Standorten sinnvoll. Denn klar: Der Bau eines solchen Kraftwerkes ist ein Eingriff in die Natur, da der natürliche Verlauf des Wassers unterbrochen und das Ökosystem dadurch beeinflusst wird. Gut zu wissen: Schon seit längerem werden für jedes Wasserkraftwerk ökologische Ausgleichsflächen geschaffen.
Generell gilt: Wasserkraftwerke sind umweltfreundlich! Das genutzte Wasser wird zurück in die Flüsse geleitet und sogar noch verbessert: Die Turbinen des Kraftwerks reichern das Wasser mit Sauerstoff an. Eingriffe in die Natur, wie die Änderung von Flussläufen, werden heute ausgeglichen. Es werden Fischpässe gebaut, damit Fische flussaufwärts zu ihren Laichplätzen wandern können, oder es wird nur ein Teil des Flusses für das Wasserkraftwerk genutzt.
4 % des in Deutschland erzeugten Bruttostroms wurde im Jahre 2023 aus Wasserkraft gewonnen. In Strom gerechnet sind das 18,7 Terrawattstunden, die in insgesamt 7.300 Wasserkraftanlagen produziert wurden. Deren Leistung: 5.600 Megawatt (MW). 6.900 dieser Anlagen – das sind 94 % – erbringen dabei eine installierte Leistung von unter einem Megawatt. Der größte Teil der gesamten Stromproduktion wird über leistungsstarke Großkraftwerke erbracht, 14 % der Stromproduktion wird von Kleinwasserkraftwerken erzielt.
Dass die Kraft des Wassers zu elektrischer Energie umgewandelt wird und dann in unsere Steckdosen gelangt, kann nur mit einem Umspannwerk gelingen. Nur durch diese Verbindung kann die erzeugte Energie in die Hochspannungsnetze eingespeist und weiter zu uns Verbraucher*innen gebracht werden. Umspannwerke sind also ein integraler Bestandteil bei der Nutzung von Wasserenergie.
Ein fließendes Wunder sagen die einen, die effektivste regenerative Energie sagen die anderen. Und vermutlich stimmt beides, denn mit einem Wirkungsgrad von satten 90 % steht die Wasserkraft an der Spitze der Energieformen. Und das absolut umweltfreundlich, zuverlässig und CO₂-neutral. Perfekt!
Ob Laufwasserkraftwerk oder Gezeitenkraftwerk: Die Kraft des Wassers wird heute auf unterschiedlichste Weise genutzt. Aber: Das Bundesamt für Umwelt schätzt, dass die Wasserkraft durch den Klimawandel an Effizienz verlieren könnte. 5 % in den kommenden Jahren, langfristig sogar bis zu 15 % – so Schätzungen. Ein Teufelskreis, denn weniger Wasserkraft bedeutet gleichzeitig eine schlechtere Bekämpfung des Klimawandels und ein schnellerer Klimawandel bedeutet weniger Wasserkraft. Umso wichtiger, unnachgiebig in die Energiewende zu investieren!
Autorin
Josi von Yello