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Wasserkraftwerk

Anlage zur Erzeugung von Elektrizität aus Wasserkraft
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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 im Stauraum auf möglichst hohem potentiellen Niveau zurückgehalten. Die Energie der Bewegung des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, wodurch dieses in Drehbewegung mit hohem Drehmoment versetzt wird. Dieses wiederum wird direkt oder über ein Getriebe an die Welle des Generators weitergeleitet. 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   des Zulaufs, der Wasserturbine, des Getriebes, des Generators und Transformators.

Näherungsweise Berechnung (g · ρ · η ≈ 7 kN /m3)

 

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 Vereinigten Staaten

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.

Auslastung: > 50 %
Bauarten:Flusskraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Strom-Boje, Wellenkraftwerk
Auslastung: 30–50 %
Bauarten: Flusskraftwerke mit Schwellbetrieb, Speicherkraftwerke
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. Pumpspeicher-Kraftwerke bieten als einzige Energieanlagen die Möglichkeit, Elektrizität wirtschaftlich und in nennenswertem Umfang mit Hilfe potentieller Energie (Speicherwasser) zu speichern.
  • 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.
  • Strom-Boje
Eine Strom-Boje wandelt die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie um. Bei diesem neuartigen Typ wird das Landschaftsbild und der Wasserspiegel nicht verändert.

Ökonomische Bedeutung

 
Energiequellen in Deutschland von 2005 bis 2007 [1]
 
Strom aus Wasserkraft in Deutschland von 2005 bis 2007 [2]

Weltweit werden knapp 18 % der elektrischen Energie mit Wasserkraftwerken erzeugt. Norwegen deckt fast seinen gesamten Elektrizitätsbedarf mit Wasserkraft, Brasilien rund 80 %. In Deutschland beträgt die Wasserkraftquote rund 3,5 %, in Österreich rund 55 % (36 TWh) an der gesamten Stromproduktion. In der Schweiz sind es rund 60 %. Gemessen am gesamten Energieverbrauch in Deutschland trägt die Wasserkraft weniger als 1,6 % bei, wie das nebenstehende Bild zeigt.

Aus der installierten Leistung von 4,7 GW und der erzeugten Energie von 21600 GWh errechnet sich eine mittlere Einschaltdauer von 4600 h. Gemessen an den 8760 Stunden pro Jahr ergibt sich eine mittlere Nutzung von 52 %.

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: 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 (außer in Gebirgstälern), z. B. am Drei-Schluchten-Damm
  • ökologische Veränderungen, Beeinträchtigung von Natur und Landschaft, Zerstörung des natürlichen Fließgewässerregimes, Fischsterben durch Turbinen und Pumpen
  • Versandung vor allem bei Großstaudämmen. Der Gezhouba-Staudamm verlor dadurch nach sieben Jahren ein Drittel seiner Staukapazität.
  • Gefahr der Auslösung von Erdbeben („reservoir induced seismicity“)
  • Gefahr eines Dammbruchs
  • Gefahr einer sogenannten Schwallwasserbildung insbesondere bei Speicherkraftwerken, die nicht durchgehend betrieben werden. 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 wegen eines technischen Schadens sehr schnell beenden muss.
  • Unterbinden der Überschwemmungsperioden (Am Nil geht die natürliche Düngung und Bewässerung vom Ackerland verloren und führt zu Unfruchtbarkeit des Landes)

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.

Besonderheiten

Das Wappen Nordkoreas enthält ein Wasserkraftwerk mit Strommast.

Wasserkraftwerke mit besonderen Merkmalen

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ [1] BMWi Energiestatistiken Seite 4
  2. ↑ [2] BMWi Energiestatistiken Seite 20
Commons: Wasserkraftwerke – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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