Die Wasserkraft wird von Menschen genutzt um Arbeit zu verrichten oder Energie zu gewinnen.
Das Nutzen der Wasserkraft ist das Ausnutzen der potentiellen Energie (Lageenergie) des Wassers, die beim Nach-Unten-Fließen in kinetische Energie (Bewegungsenergie) umgewandelt wird.
Die Wasserkraft ist eine regenerative oder erneuerbare Energiequelle. Das Wasser wird durch Verdunstung und den Wind (beides von der Sonne verursachte Phänomene) in eine Hochlage gebracht, aus der es dann abfließt, und dabei eine Nutzung durch den Menschen mittels Wasserkraftmaschinen erlaubt.
Woher kommt diese Kraft
Die Wasserkraft bezieht ihre Energie ursprünglich aus der gleichen Quelle wie auch die Wind- und Sonnenenergie. Nämlich aus der Sonne, die das Meerwasser verdunstet, welches dadurch aufsteigt und in Form von Wolken abtransportiert wird. Wenn es dann in kältere Regionen gelangt wird der Dampf wieder zu Wasser und gelangt als Regen oder Schnee wieder in Flüsse und Seen. Hier kann man sich dann die Energie durch Staumauern und Wasserkraftwerke zu Nutze machen. Da die Sonne, vom Standpunkt des Menschen her, noch eine sehr lange Brenndauer hat, ist Wasserenergie eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle.
Wo ist die Energie im Wasser
Bei der Wasserkraft macht man sich den Höhenunterschied und die Erdanziehung zur Nutze. Die Sonne befördert das Wasser in Form von Wolken in höhere Lagen in die Erdatmosphäre. Regnet es nun über dem Land wieder herunter, befindet es sich höher als der Meeresspiegel. Nun hat das Wasser durch die Erdanziehung wieder das Bestreben ins Meer zu gelangen, da hier der tiefste Punkt auf der Erdoberfläche erreicht wird. Wenn man das Wasser nun nicht einfach ins Meer fließen lässt, sondern durch einen Generator (früher auch Wasserrad) leitet, wird dieser angetrieben. Dies kann man durch Staumauern verstärken, denn durch die große Ansammlung von Wasser, das ins Meer gelangen will, entsteht ein enormer Druck. Jetzt hat das Wasser mehr Kraft und kann zum Beispiel eine größere Turbine antreiben. Meistens treibt die Turbine einen Generator an, der wiederum elektrische Energie erzeugt, jedoch kann man die Kraft auch direkt weiterleiten, zum Beispiel an ein Mühlrad oder ein Sägewerk.
Warum Wasserenergie
Regenerative Energiequellen werden immer mehr gefragt, da fossile Brennstoffe früher oder später aufgebraucht sind und sich viel zu langsam regenerieren, als das es für die ganze Menschheit reichen könnten. Zudem ist die Wasserenergie äußerst umweltfreundlich. Sie schont die Umwelt nicht nur indem sie keine Abfallprodukte oder andere Gifte produziert, sie wirkt sich auch positiv auf Wassergebiete aus. Es ist nachgewiesen, dass Gewässer mit Wasserkraftwerken einen deutlich höheren Sauerstoffanteil und eine höhere Qualität besitzen, dadurch kommt es auch häufiger vor, dass sich dort seltene Fischarten ansiedeln. Zudem steht Wasserkraft in großen Mengen und kostenlos zur Verfügung und ist zusätzlich schnell zu- und abschaltbar, im Gegensatz zu großen Fossilkraftwerken. Ein AKW braucht zum Beispiel mehrere Stunden um abgeschaltet werden.
Wassermühle
Traditionell wird Wasserkraft in den Schaufelrädern der Wassermühle genutzt, um mechanische Maschinen anzutreiben. Wassermühlen mahlen Getreide, sägen Holz, bearbeiten Metall oder pumpen Wasser (Polderlandschaft).
Wasserkraftwerk
Seit Elektrizität als Energieträger genutzt wird, wird Wasserkraft in Wasserkraftwerken in Elektrische Energie umgewandelt, und dann weiter entfernt wieder zum Verrichten von Arbeit eingesetzt. Die Bewegung des Wassers treibt Turbinen oder ein Wasserrad an, welche wiederum einen Generator bewegen.
Bei Wasserkraftwerken mit Turbinen wird unterschieden zwischen Niederdruck- und Hochdruckkraftwerken.
Gezeitenkraftwerke
Bei Flut gelangt Wasser in die abgeschlossene Bucht und treibt die im Damm liegende Turbi-ne an. Wenn Ebbe herrscht lässt man das gestaute Wasser abfließen, welches die Turbinen wieder in Bewegung versetzt. Diese Kraftwerke können bis zu 240 Megawatt Elektrizität produzieren.
Niederdruck-Laufkraftwerke
Im Gegensatz zum Speicherkraftwerk arbeitet dieses Kraftwerk mit Wassermassen großer Flüsse. Es gibt zwar nur eine geringe Fallhöhe, dafür werden diese Kraftwerke von einer großen masse an Wasser durchflossen. Daher werden Kaplanturbinen(bis 25m Fallhöhe) ein-gesetzt. Dieses Kraftwerk Produziert rund um die Uhr Energie, sofern der Fluss genug Wasser führt.
Pumpspeicherkraftwerke
Der Generator mit wird dem überschüssigen Strom angetrieben. Durch den eine Pumpe angetrieben wird, die das Wasser von einem tiefer gelegenem Becken in ein höher gelegenes (Stausee) pumpt. Dadurch wird Energie abgespeichert und kann zu einem anderen Zeitpunkt verwendet werden. Man verwendet den gleichen Generator zur Stromerzeugung, wie auch zum Antreiben der Pumpe. Auch das Wasser wird durch die gleichen Leitungen gepumpt. Jedoch liegt die Effizienz nur bei 75 %.
Wellenkraftwerk
In Wellenkraftwerken wird sich zum Beispiel die Energie der Meereswellen zu Nutze ge-macht. Die Wellen erzeugen durch die auf und ab Bewegung abwechselnd einen Über- und Unterdruck, der wiederum eine Turbine antreibt
Gletscherkraftwerke
Bei Gletscherkraftwerken wird ein Schmelzwassersee an seinem tiefsten Punkt angebohrt, damit man den höchsten Druck und auch im Winter genug Wasser hat, selbst wenn die Ober-fläche des Sees gefriert. Dann wird das Wasser durch ein Rohr unter dem Eis an die Küste geleitet, wo es in den Turbinen Strom erzeugt. In Grönland wird das Inlandeis wird zur Stromgewinnung genutzt eingesetzt. Die Eisschicht hat eine Masse von 2,4 Millionen Kubik-kilometern, das ist 50.000 mal so viel wie der Bodensee (48 Kubikkilometer). In Grönland ist bisher nur ein Kraftwerk gebaut worden, das sein Wasser aus einem 11 Kilometer entfernten See bekommt. Man schätzt aber, dass man in Grönland jährlich fast 10 Terrawattstunden Strom gewinnen könnte.
Niederdruckkraftwerke
Bei einem Niederdruckkraftwerk, oft auch Flusskraftwerk oder Laufkraftwerk genannt, wird ein Fluss gestaut und die Turbine durch das abfließende Wasser angetrieben. Niederdruckkraftwerke produzieren, abhängig von der Wassermenge des Flusses ständig Energie Bandenergie oder Grundlastenergie, außer bei extrem tiefem oder extrem hohem Wasserstand.
Das Gefälle ist bei Flusskraftwerken nur niedrig (einige Meter), dafür stehen größere Wassermengen zur Verfügung. Laufkraftwerke arbeiten mit Niederdruck, es werden Kaplan-Turbinen, Francis-Turbinen oder neuere Rohrturbinen eingesetzt.
Bei schiffbaren Flüssen müssen Niederdruckkraftwerke mit Schleusen kombiniert sein.
Hochdruckkraftwerke
Bei einem Hochdruckkraftwerk wird das Wasser mittels einer Talsperre in einem Stausee gesammelt und von dort durch Rohrleitungen auf die Turbine geleitet.
Ein Hochdruckkraftwerk besteht aus Stauanlage mit Wasserfassungen, Druckstollen, Druckschacht mit Wasserschloss zur Verhinderung von Druckstössen, Zentrale mit Turbinen, Generatoren, Transformatoren und Schaltstation.
Das Gefälle der Rohrleitungen ist sehr groß (bis zu 1000 m) und durch den dadurch erzeugten hohen Druck, können Hochdruckkraftwerke auch mit wenig Wasser Elektrizität erzeugen. Gewöhnlich werden Pelton- oder Freistrahlturbinen eingesetzt, bei sehr großen Fallhöhen auch Francis-Turbinen.
Speicherkraftwerke können sehr schnell an- und abgeschaltet werden und in Vollast und Teillast laufen, und liefern gewöhnlich wertvolle Spitzenenergie.
Pumpspeicherkraftwerke
Stauseen können auch verwendet werden, um ungenutzte Bandenergie in wertvolle Spitzenenergie umzuwandeln, indem ein Pumpspeicherkraftwerk in Zeiten von niedrigem Elektrizitätsbedarf Wasser von einem niedrig gelegenen in einen höher gelegenen Stausee pumpt, das dann für Spitzenenergie zur Verfügung steht. Siehe auch: "Inwiefern haben Pumpspeicher-Kraftwerke eine Bedeutung für die Sicherheit der Stromversorgung?" http://www.energie-fakten.de/PDF/pumpspeicherkraftwerke.pdf .
=Talsperren===
Bogenstaumauer
Sie überträgt die Kraft des Wassers mit der gekrümmten Mauer auf die Talflanken.
Gewichtstaumauer
Sie hält das Wasser durch ihr Eigengewicht zurück. Die Bogen-Gewichtsstaumauer ist eine Mischung aus den beiden bereits vorge-stellten Staumauern. Sie bringt, durch ihr Eigen-gewicht sowie durch das Abstützen auf die Talflanken, die nötige Kraft auf das gestaute Wasser aufzufangen.
Pfeilstaumauer
Sie ist einfach eine Beton-mauer, die mit Pfeilern ab-gestützt ist. Um Baumateri-al zu sparen, existieren zwi-schen den Pfeilern, die den Druck des Wassers in den Boden ableiten, Hohlräu-me.
Der Staudamm
Sie ist im Querschnitt sehr viel breiter als hoch. Das Innere besteht aus einem dichten Kern, der beidseits durch Erd- oder Felsmaterial gestützt wird.
Kraftwerksanlagen
Große Kraftwerksanlagen in den Bergen sind komplexe Systeme mit Sammelstollen, mehreren Stauseen, Pumpstationen, und Energiezentralen.
Beispiele:
- Die Maggiakraftwerke bestehen aus sechs Stauseen, vier Turbinenanlagen, zwei kombinierte Pump/Turbinenanlagen mit einer Produktionskapazität von insgesamt über 1200 GW pro Jahr.
- Die Grimselkraftwerke haben acht Stauseen, acht Kraftwerke, eine Kraftwerk/Pumpstation und produzieren 1900 GW pro Jahr.
Konflikte beim Bau von Wasserkraftwerken
Der Landschaftsverbrauch beim Anlegen von neuen Stauseen (Talsperre) kann zu Konflikten führen, bei denen Nachteile und Vorteile, auch im Vergleich zu anderen Lösungen, im Einzelfall abgewogen werden müssen.
Mögliche Nachteile von Wasserkraftwerken:
- Umsiedlung der Bewohner
- Natur- und Landschaftsschutzanliegen
- Kulturgüter werden überschwemmt
- Begrenzte potentielle Nutzungsdauer, da Stauseen (wie jeder Binnensee) verlanden
Mögliche Vorteile von Wasserkraftwerken
- Regenerierbare Energie in großem Maßstab
- Keine Abgase (Kohlendioxid, Stickoxide, Schwefelwasserstoffe)
- Flussregulierung, Hochwasserschutz (Wasser wird in wasserreichen Zeiten zurückgehalten und dosiert abgegeben)
- Bewässerung (Wasser steht auch in wasserarmen Zeiten zur Verfügung)