Wasserkraftwerk

Ein Wasserkraftwerk oder Wasserkraftanlage ist ein Elektrizitätswerk, das die mechanische Energie des Wassers in elektrischen Strom umwandelt. Damit wird die Wasserkraft für den Menschen nutzbar gemacht.

Schema eines Wasserkraftwerkes ausgestattet mit einer Kaplan-Turbine

Funktionsweise

Durch eine Stauanlage wird Wasser zurück gehalten. Die Energie der Bewegung des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, wodurch dieses in Drehbewegung versetzt wird. Diese wiederum wird direkt oder über ein Getriebe an die Welle des Generators weiter geleitet. Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrischen Strom um.

Weitere Bauteile sind, abhängig von Größe und Bauart des Elektrizitätswerkes:

Talsperre, Staumauer, Staudamm, Staustufe, Wehr (Wasserbau),
Einlaufschütz, Treibgutrechen, Umspannwerk sowie Rohrleitungen zwischen dem Wasserschloss und dem Maschinenhaus.

Leistung

Die Leistung P ist abhängig vom Wasserdurchfluss Q und der Fallhöhe h sowie von den Wirkungsgraden $\eta$ des Zulaufs, der Wasserturbine, des Getriebes und des Generators

Näherungsweise Berechnung ( g $\cdot$ ρ $\cdot \eta =7kN/m^{3}$)

$P\left[kW\right]=Q\left[m^{3}/s\right]\cdot h\left[m\right]\cdot 7\left[kN/m^{3}\right]$

Die Breite der installierten Leistung liegt zwischen wenigen kW und 18.000 Megawatt (Drei-Schluchten-Damm in China).

Wasserkraftwerke erzielen einen hohen Wirkungsgrad. Ihre Turbinen und Generatoren können bis zu 90% der nutzbaren Wasserkraft in elektrischen Strom umwandeln.

Typen von Wasserkraftwerken

Einteilung nach Nutzgefälle

Speicherkraftwerk Maltatal

Ein typisches Wasserkraftwerk, hier an der Ruhr

Wasserkraftwerk "Grand Coulee Dam" in den USA

Das Nutzgefälle oder die Fallhöhe ist der Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel oberhalb der Turbine (Oberwasser) und dem Wasserspiegel hinter der Turbine (Unterwasser).

• Niederdruckkraftwerke

Fallhöhe: < 15 m

Durchfluss: groß

Verwendung für: Grundlast

Turbinenarten: Kaplan-Turbine, Durchströmturbine

Bauarten: Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerk

• Mitteldruckkraftwerke

Fallhöhe: 15–50 m

Durchfluss: mittel - groß

Verwendung für: Grundlast, Mittellast

Turbinenarten: Francis-Turbine, Kaplan-Turbine, Durchströmturbine

Bauarten: Flusskraftwerke, Speicherkraftwerke

• Hochdruckkraftwerke

Fallhöhe: 50–2.000 m

Durchfluss: gering

Verwendung für: Spitzenlast

Turbinenarten: Francis-Turbine, Pelton-Turbine

Bauarten: Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Kavernenkraftwerke

Einteilung nach Auslastung

Die erzeugte Strommenge (Regelarbeitsvermögen) ergibt im Verhältnis zur Nennleistung die Auslastung eines Kraftwerkes.

• Grundlastkraftwerk

Auslastung: > 50 %

Bauarten:Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerk

• Mittellastkraftwerke

Auslastung: 30–50 %

Bauarten: Flusskraftwerke mit Schwellbetrieb, Speicherkraftwerke

• Spitzenlastkraftwerke

Auslastung: < 30 %

Bauarten: Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Kavernenkraftwerke

Einteilung nach Bauart

• Laufwasserkraftwerk

Bei einem Laufwasserkraftwerk wird ein Fluss gestaut und mit dem abfließenden Wasser elektrischer Strom produziert.

• Speicherkraftwerk

Bei einem Speicherkraftwerk wird das Wasser über einen Zeitraum (mehrere Stunden bis mehrere Monate) gespeichert, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen.

• Pumpspeicherkraftwerk

Ein Pumpspeicherkraftwerk ist ein Speicherkraftwerk, bei dem mit überschüssigem Strom Wasser aus einer niedrigen Lage in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird um später Spitzenstrom zu erzeugen.

• Kavernenkraftwerk

Ein Kavernenkraftwerk verwendet künstlich geschaffene Hohlräume (Kavernen) als Energiespeicher oder als Standort für Kraftwerkskomponenten.

• Gezeitenkraftwerk

Ein Gezeitenkraftwerk nutzt die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und Flut.

• Wellenkraftwerk

In Wellenkraftwerken wird, im Unterschied zu einem Gezeitenkraftwerk, nicht der Tidenhub, sondern die Energie der kontinuierlichen Meereswellen selbst ausgenutzt.

• Meeresströmungskraftwerk

Ein Meeresströmungskraftwerk nutzt die kinetische Energie von Meeresströmungen.

Ökonomische Bedeutung

Weltweit werden knapp 18 Prozent der elektrischen Energie mit Wasserkraftwerken erzeugt. Norwegen deckt fast seinen gesamten Elektrizitätsbedarf mit Wasserkraft, Brasilien rund 80 Prozent.
In Deutschland beträgt die Wasserkraftquote rund 5 Prozent (4.215 MW installierten Leistung, 18,6 TWh Regelarbeitsvermögen). In Österreich werden jährlich rund 36 TWh Strom durch Wasserkraftwerke erzeugt, das sind rund 55% der Gesamtproduktion.

Die Kosten der Investitionen für Wasserkraftwerke liegen sehr hoch und belasten die Rentabilität der Anlage. Daher ist der in Wasserkraftwerken produzierte elektrische Strom zunächst einmal kostspieliger als der in vergleichbaren Dampfkraftwerken. Die Kostenlosigkeit der nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehenden Ressource Wasserkraft macht sich erst bemerkbar, wenn die Erlöse des verkauften Stromes die Kosten der Errichtung des Kraftwerkes gedeckt haben. Aus diesem Grund werden Wasserkraftwerke für eine hohe Lebensdauer ausgelegt, um diesen Effekt möglichst lange nutzen zu können.

Wasserkraftwerke werden bevorzugt im Mittel- und Hochgebirge sowie an großen Flüssen errichtet, um durch großen Höhenunterschied bzw. Durchfluss die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Ökologische Auswirkung

Der Landschaftsverbrauch beim Anlegen von Wasserkraftwerken, vor allem beim Bau von neuen Stauseen oder Sperrwerken kann zu Konflikten führen, bei denen die Nachteile und Vorteile, auch im Vergleich zu anderen Lösungen, im Einzelfall abgewogen werden müssen.

Vorteile

• Erneuerbare Energieform in großem Maßstab (Einschränkung: Pumpspeicherkraftwerke)
• Keine Emissionen von Treibhausgasen (Einschränkung: Pumpspeicherkraftwerke, sowie Methanemissionen bei Stauseen, unter denen vor der Flutung die Vegetation nicht entfernt wurde (s. Tucuruí-Stausee))
• Flussregulierung, Hochwasserschutz (Wasser wird in wasserreichen Zeiten zurückgehalten und dosiert abgegeben)
• verbesserte Schiffbarkeit von Flüssen
• Reinigung der Flüsse (Treibgut wird vom Rechen des Kraftwerkes zurückgehalten und entsorgt)
• Bewässerung (Wasser steht auch in wasserarmen Zeiten zur Verfügung)

Nachteile

• Umsiedlung der Bewohner
• ökologische Veränderungen, Beeinträchtigung von Natur und Landschaft, Zerstörung des natürlichen Fließgewässerregimes
• Überstauung und Zerstörung von Kulturgütern
• Staudamm kann Erdbeben auslösen ("reservoir induced seismicity")
• Dammbruch
• Insbesonders besteht bei Speicherkraftwerken, die nicht durchgehend betrieben werden, die Problematik einer so genannten Schwallwasserbildung. Hierbei kann sich auch in der trockenen Jahreszeit innerhalb eines engen Hochgebirgtales ein gefährliches Hochwasser bilden, wenn weit oberhalb der Gefahrenstelle ein Wasserkraftwerk seinen Betrieb aufnimmt.

Geschichte

Der technische Vorgänger des Wasserkraftwerkes war die Wassermühle, wobei die geschätzte Anzahl von 100.000 der bis ins 20. Jahrhundert in Deutschland vorhandenen Wasserräder auf etwa 8.000 Wasserturbinen zurückging. Die mit der jahrhundertenlangen Nutzung der Wassermühlen entstandenen Staurechte blieben dagegen in vielen Fällen bestehen und können heute mit modernen Wasserrädern reaktiviert werden.

Siehe auch

• Liste der Kraftwerke
• Liste der größten Wasserkraftwerke der Erde
• Drei-Schluchten-Damm - in Bau, bei Fertigstellung (2009) größtes Kraftwerk der Welt
• Itaipú - größtes Kraftwerk der Welt
• Pumpspeicherwerk Goldisthal - leistungsstärkstes Pumpspeicherkraftwerk Deutschlands
• Grande Dixence - größtes Wasserkraftwerk der Schweiz
• Maltakraftwerke - Leistungsstärkstes Wasserkraftwerk Österreichs
• Barrage de Roselend Leistungsfähiges Wasserkraftwerk in Frankreich
• Kraftwerk am Eisernen Tor - größtes Wasserkraftwerk Europas
• Cabora-Bassa - größtes Kraftwerk Afrikas
• Grand-Coulee - größtes Kraftwerk der USA
• Hoover-Staudamm - berühmtes US-amerikanisches Kraftwerk
• Kraftwerk Walchensee klassisches Speicherkraftwerk in Deutschland
• Bujagali - geplantes umstrittenstes Kraftwerk Afrikas
• Südostanatolien-Projekt - Größtes regionales Entwicklungsprojekt der Türkei, umfasst 22 Staudämme und 19 Wasserkraftwerke und Bewässerungsanlagen

Weblinks / Quellen

• Zahlreiche Infos zum Thema Wasserkraft
• www.wasserkraft.org - Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke
• Thema "Wasserkraftwerke" bei wasser.de
• Wasserkraftanlagen Berechnungs Tool

Hanns-Peter Mederer: Wasserkraft für Oberstdorf. Zur Einweihung des neuen Kraftwerks Warmatsgund. In: Das schöne Allgäu 9. 1992. S. 41 - 44.