Basiswissen: Wie geht das eigentlich mit der Wasserkraft?

31.05.13  08:00 | Artikel: 955579 | Proteus Fach-Artikel

Basiswissen: Wie geht das eigentlich mit der Wasserkraft?
Sylvensteinspeicher (BY)
Wasserkraft ist eine der altesten Energiequellen überhaupt. Früher waren es Wasserräder, die zum zum mechanischen Antrieb von Arbeitsmaschinen wie Mahl-, Säge- oder Hammerwerken benutzt wurden. Seit dem späten 19. Jahrhundert sind es Kraftwerke, die elektrischen Strom mit Hilfe von Turbinen und Generatoren erzeugen.

Wasserkraftwerke gehören zu den erneuerbaren Energien. Zur Stromerzeugung wird ausschlieslich die Bewegung des Wassers genutzt, um daraus elektrischen Strom zu erzeugen. Dies kann auf zwei verschiedene Arten geschehen, für die es jeweils einen eigenen Kraftwerkstyp gibt: Das Laufwasserkraftwerk und das Speicherkraftwerk.

Grundversorgung Laufwasserkraftwerke - "Alles geht den Bach runter"

Laufwasserkraftwerke funktionieren ein bischen so wie das gute alte Mühlrad. Statt jedoch das Rad mit der Antriebswelle ins Wasser zu halten, wird bei diesem Kaftwerk der Fluss künstlich aufgestaut. Durch diese Stauung wird ein Höhenunterschied erzeugt, um das Wasser dann durch eine Turbine zu leiten, also abfließen zu lassen, die den Durchfluss in eine Drehbewegung umwandelt.

Diese Drehbewegung wird dann durch einen Generator - funktioniert ähnlich, wie der Dynamo am Fahrrad - enutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Laufwasserkraftwerke gehören zu den Grundlastkraftwerken, da hier im Regelfall rund um die Uhr eine nahezu konstante Leistung zu erzielen ist, die nur saisonalen Veränderungen unterworfen ist (Niedrigwasser bei Trockenheit im Sommer, Hochwasser bei Schneeschmelze im Frühjahr usw.)

Speicherkraftwerke - "Energie auf Abruf"

Speicherkraftwerke funktionieren im Prinzip ähnlich, jedoch ist hier der Höhenunterschied meist wesentlich größer. Diese Höhenunterschiede können durch einen Staudamm oder auch durch natürliche Seen, die auf unterschiedlichen Meereshöhen liegen, genutzt werden. Speicherkraftwerke gehören zu den Spitzenlastkraftwerken. Mit ihnen kann in sehr kurzer Zeit auf eine erhöhte Nachfrage nach Energie reagiert werden, wie z.B. in der Mittagszeit. Die Leistung dieser Kraftwerke lässt sich im Normalfall zwischen 20 und 100% stufenlos regeln.

Ein Sonderfall bei den Speicherkraftwerken ist, dass Pumpspeicherkraftwerk. In Zeiten, in denen kaum Strom benötigt wird oder im Überfluss vorhanden ist, wird Wasser wieder in den oberen Speicherbehälter zurückgepumpt, um für den nächsten Einsatz gerüstet zu ein. Ökonomisch ist das auch durchaus sinnvoll, da solche Kraftwerke meist am Minutenreservemarkt (siehe auch Regelenergie) teilnehmen. Das Hochpumpen erfolgt dann, wenn der Strom günstig ist, die Erzeugung, wenn der Preis hoch ist.

Gleiches Prinzip - unterschiedliche Technik

Auf den ersten Blick funktionieren Wasserkraftwerke ja alle gleich: höher gelegenes Wasser strömt durch eine Turbine und kommt dann darunter (tiefer gelegen) wieder raus. Allerdings sind es zwei Faktoren, die die Bauweise eines Kraftwerkes unterscheiden: Der Höhenuterschied und damit der Druck, mit dem das Wasser in die Turbine strömt und die Menge an Wasser die durchläuft.
Je nach Konstellation gibt es für diese Einsatzszenarien heute vier verschiedene Turbinenarten.

Peltonturbine
  • Einsatz in großen Speicherkraftwerken
  • geringe Durchflussmengen, aber Einspritzung des Wassers mit sehr hohem Druck
  • Fallhöhen 300...1.800 m
  • Wirkungsgrad 85...90 %
Francisturbine
  • Einsatz in Speicher- und Laufwasserkraftwerken
  • mittlere Durchflussmengen bei kleinen und mittleren Drücken
  • Fallhöhen 25...300 m
  • Wirkungsgrad 85...90 %

Kaplanturbine
  • Einsatz in Laufwasserkraftwerken
  • hohe Durchflussmengen bei niedrigen Drücken
  • Fallhöhen 5...20 m
  • Wirkungsgrad 80...90 %

Durchströmturbine
  • preiswerte Turbinenbauform für kleinere Speicher- und Laufwasserkraftwerke (Leistung bis max. 1.000 kW)
  • Fallhöhen 2...200 m
  • Wirkungsgrad 75...80 %


saubere Energieerzeugung - Warum nicht mehr davon?

Die Nutzung von Wasserkraft wird immer noch weiter ausgebaut. Kleine Städte und Gemeinden bauen an nah gelegenen Flüssen entsprechende Kraftwerke. Allerdings gibt es auch hier ökonomische Abwägungen. Die Kosten für die Stromproduktion dürfen natürlich nicht höher sein, als der erwirtschaftete Gewinn (siehe auch Stromgestehungskosten und LCoE).

Zum anderen spielt auch der Umweltschutz eine wesentlliche Rolle. So darf bei Laufwasserkraftwerken nicht einfach ein Fluss aufgestaut werden, wenn dadurch flussabwärts die Umwelt verändert wird. Außerdem muss z.B. der Fischbestand auch flussaufwärts - am Kraftwerk vorbei - wandern können.

Die Auswirkungen von Kraftwerken kann man auch gut an der Geschichte des Sylvensteinspeichers in Bayern sehen.

Bei Speicherkraftwerken finden sich in Deutschland kaum noch Standorte, da diese ja sehr flächenintensiv sind. Umsiedlungen durch den Bau von Staudämmen - wie Anfang des 19. Jahrhunderts oder z.B. in Ländern wie China - sind heute nur noch schwer zu realisieren.


Die technischen Grafiken mit den Turbinen wurden von Dr. Volker Bergmann von der Solar- und Energietechnik Dr. Bergmann GmbH (www.set-ilmenau.de) zur Verfügung gestellt.



Ein paar Fotos finden Sie in unserer Bildergalerie Wasserkraftwerke

weitere Infos:

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Regelenergie: Sogar nicht erzeugter Strom lässt sich zu Geld machen
AÜW: Laufwasserkraft Kempten Keselstrasse
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Autor: Björn-Lars Kuhn

Journalist bdfjBjörn-Lars Kuhn ist einer der Inhaber der Proteus Solutions GbR, Buchautor, Datenschutzbeauftragter (IHK), Fachjournalist (bdfj) in den Bereichen Datenschutz, Netzpolitik und Erneuerbare Energien und Redakteur dieser Nachrichtenseite.



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