Wasserkraft

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Wasserkraftwerk (erbaut 1891) in Schöngeising 48.13720211.208085

Wasserkraft (auch: Hydroenergie) ist eine regenerative Energiequelle. Der Begriff bezeichnet die Umsetzung potenzieller oder kinetischer Energie des Wassers mittels einer Wasserkraftmaschine in mechanische Arbeit. Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurde diese hauptsächlich in Mühlen genutzt. Heute wird fast immer elektrischer Strom mit Hilfe von Generatoren erzeugt. Mit einem Anteil von 15,58 % an der weltweiten Stromerzeugung war sie 2011 nach der Verstromung von Kohle und Erdgas und vor der Kernenergie die drittbedeutendste Form der Stromproduktion.[1]

Geschichte

Wasserkraftwerk von 1892 in Schöngeising 48.13732911.20775

Die Geschichte der Wasserkraft geht weit zurück. Historiker schätzen, dass sie in China bereits vor 5000 Jahren zur Anwendung kam. Weitere alte Kulturen am Nil, Euphrat und Tigris und am Indus haben vor 3500 Jahren die ersten, durch Wasserkraft angetriebenen Maschinen in Form von Wasserschöpfrädern zur Bewässerung für Felder eingesetzt. Zu Zeiten der Römer und Griechen wurde Wasser dann als Antriebsmittel für Arbeitsmaschinen in vielfältigster Art und Weise genutzt. Etwa im 2. Jhd. v. Chr. wurde die Archimedische Schraube, die bis heute noch genutzt wird, erfunden. Im 9. Jh. n.Chr. wurde dann das unterschlächtige Wasserrad eingesetzt. Die nächste entscheidende Entwicklung folgte 5 Jahrhunderte später mit der Nutzung des oberschlächtigen Wasserrads. Hier wurde nicht mehr nur die Bewegungsenergie des Wassers, sondern auch sein Gewicht genutzt. Im Jahre 1767 stellte der englische Bauingenieur John Smeaton das erste Wasserrad aus Gusseisen her, was eine wesentliche Voraussetzung für die Industrielle Revolution war, da es durch die enorm höhere Belastbarkeit auch größere Leistungen erbrachte. Die damit verbundene Produktivitätssteigerung führte mit zum wirtschaftlichen Aufschwung und verschaffte dem Wasserrad bis zum 19. Jahrhundert eine herausragende Stellung als Antriebsquelle. 1842 hatte der französische Ingenieur Benoît Fourneyron den Vorläufer einer Francis-Wasserturbine entwickelt. Durch diese Technik konnten größere Wassermengen und höhere Gefälle ausgenutzt werden, was zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Wasserrädern führte. Als dann 1866 Werner von Siemens noch den elektrodynamischen Generator erfand, wurde auf einmal die Umwandlung von Wasserkraft in elektrischen Strom möglich. 1880 wurde das erste Wasserkraftwerk im englischen Northumberland in Betrieb genommen und schon 1896 entstand an den Niagarafällen in den USA das erste Großkraftwerk der Welt. Mit den Elektricitäts-Werken Reichenhall errichtete der Holzstoff-Fabrikant Konrad Fischer das erste Wasserkraftwerk Deutschlands in Bad Reichenhall, welches am 15. Mai 1890 den Betrieb aufnahm. Es ist das erste Wechselstrom-Kraftwerk in Deutschland und das erste E-Werk in Bayern.[2]

Nutzung

Im Jahr 2012 waren weltweit Wasserkraftwerke mit einer kumulierten Leistung von zusammen rund 990 GW installiert, die rund 3700 TWh elektrischer Energie produzierten. Dies entspricht etwas mehr als der anderthalbfachen Produktion der Kernkraftwerke, die 2012 2.346 TWh bereitstellten.[3] Damit lieferte die Wasserkraft 16,5 % des Weltbedarfes an elektrischer Energie und rund 3/4 der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, die 21,7 % des Weltstrombedarfes deckten.[4]

In Deutschland waren Ende des Jahres 2006 7.300 Anlagen aktiv und leisteten 2007 zur gesamten Stromerzeugung einen Beitrag von 3,4 %.[5] In Österreich sind es ca. 56,6 % und in der Schweiz ca. 52,2 %.[6] Unter den Mitgliedstaaten der Europäischen Union trägt Schwedens Wasserkraft am meisten zur Versorgung aus erneuerbaren Energiequellen bei: Im Jahre 2011 wurden 66 TWh erzeugt - das entspricht mehr als 20 % der insgesamt in den EU-Ländern erzeugten Energie aus Wasserkraft. An zweiter Stelle stehen Italien und Frankreich mit jeweils rund 45 TWh.[7]

Wasserkraft ist derzeit die wichtigste erneuerbare Energiequelle, die zur Stromversorgung der Erdbevölkerung beiträgt. Die anderen erneuerbaren Energieformen wie Sonne, Wind, Erdwärme und Biomasse tragen zusammen rund 2,1 % bei. Das Potential der technisch nutzbaren Wasserkraft hängt ab

  • von den Niederschlagsmengen und den topographischen Verhältnissen, die weltweit und regional sehr verschieden sind, sowie
  • von geographische Gegebenheiten.

Man sieht ein hohes Wachstumspotential von Wasserkraft in der Dritten Welt; im dichtbesiedelten Europa erscheint ein weiterer Ausbau problematisch.

Wasserkraftwerke

Privates Wasserkraftwerk in Olching, Deutschland
Staumauer in der Schweiz

Klassifizierung

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen von Wasserkraftanlagen. Ihre Einteilung ist nicht immer ganz eindeutig und kann nach unterschiedlichen Aspekten erfolgen. Man kann folgende Einteilungen vornehmen:

Betrachtungsweise Klassifizierung
Nutzfallhöhe Niederdruckanlage (Fallhöhe < 15 m)
Mitteldruckanlage (Fallhöhe < 50 m)
Hochdruckanlage (Fallhöhe > 50 m)
Energiewirtschaft Grundlastkraftwerk
Mittellastkraftwerk
Spitzenlastkraftwerk
Installierte Leistung Kleinwasserkraftanlagen (< 1MW)
mittelgroße Wasserkraftanlagen (< 100MW)
Großwasserkraftanlagen (> 100MW)
Topographie Unterlauf (Flusskraftwerk)
Mittellauf (Laufwasser- und Speicherkraftwerk)
Oberlauf (Speicherkraftwerk)
Betriebsweise Inselbetrieb
Verbundbetrieb

Anlagentypen

Turbinen

Laufrad einer Pelton-Turbine

Klassifizierung

Wie auch bei den Kraftwerkstypen, können Turbinen nach verschiedenen Aspekten differenziert werden: Nach der Beaufschlagung (teil- oder vollbeaufschlagt), der Radform (radial, diagonal, axial), der Bauweise (senkrecht oder waagerecht zur Wellenlage) sowie der Wirkungsweise, welche das wohl gebräuchlichste Unterscheidungsmerkmal darstellt. Demnach gibt es Gleichdruckturbinen und Überdruckturbinen.

Typen

Je nach Turbinentyp und Betriebspunkt besteht die Gefahr von Schäden durch Kavitation.

Allgemeine Grundlagen

Energetisch

Energie tritt in verschiedenen Formen auf. Unter Berücksichtigung der Gesetze der Thermodynamik kann Energie in Arbeit umgewandelt werden. Für die Wasserkraftnutzung sind kinetische Energie und die potenzielle Energie entscheidend. Wasser über dem Meeresspiegel besitzt potenzielle Energie und erfährt durch die Schwerkraft eine Beschleunigung, wodurch ein Teil der Anfangsenergie automatisch in kinetische Energie umgewandelt wird. Diese fluidmechanische Energie wird in Wasserkraftanlagen durch Turbinen in mechanische Energie (Rotationsenergie) umgewandelt und letztlich durch Generatoren in elektrischen Strom transformiert. Um die maximal transformierbare Energie zu bestimmen, muss eine Berechnung nach der erweiterten Bernoulli-Gleichung erfolgen, bei der sämtliche Verluste durch Turbulenzen oder durch Reibung an Anlagenteile berücksichtigt werden. Verluste bei der Energieumwandlung entweichen in Form von Wärme- oder Schallenergie. Die Leistung, auch Energiefluss bezeichnet, wird von der Fallhöhe des Wassers, der Menge des Wassers, der Dichte des Wasser und vom Wirkungsgrad der Anlage beeinflusst, wobei der Gesamtwirkungsgrad sämtliche Verluste der Turbinen und des Generators beinhaltet. Für Wasserkraftanlagen liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 80 % oder höher. Im Vergleich zu anderen Kraftwerkstypen ist dieser Wert der größte. Nach energiewirtschaftlichen Gesichtspunkten zählt Wasserkraft zur Primärenergie, da sie direkt aus einer natürlichen Energiequelle stammt.

Hydrologisch

Hydrologisch hat für die Wasserkraft der Wasserkreislauf große Bedeutung. Er beschreibt die Bewegungen des Wassers auf regionaler und globaler Ebene. Angetrieben durch die Strahlungsenergie der Sonne durchläuft das Wasser verschiedene Aggregatzustände. Im Prinzip funktioniert der Kreislauf wie folgt: Wasser verdunstet aus Oberflächengewässern (Meere, Seen, Flüsse) und steigt in Form von Wasserdampf in die Atmosphäre auf. Dort kondensiert es, worauf es vorwiegend als Regen oder Schneefall wieder auf die Erdoberfläche gelangt. Durch topographische Bedingungen entstehen Einzugsgebiete, in denen der Niederschlag Flüsse mit Wasser anreichert.

Die von einem Fluss geführte Menge Wasser unterliegt starken Schwankungen, verursacht vor allem durch jahreszeitliche Niederschlagsschwankungen und durch klimatische und meteorologische Verhältnisse. Der Abfluss ist ein sehr wichtiger Parameter für die Bemessung von Wasserkraftanlagen. Vor allem sind Extremwerte zu berücksichtigen, damit z. B. bei Hochwasser keine Schäden entstehen. Möglichst langjährige Messungen über den Abfluss eines Einzugsgebietes helfen dabei. Nützlich dafür sind neben der Ganglinie eines Flusses die Abflussdauerlinie, die Summenlinie und die Fülllinie, die alle in einem Abfluss-Tage-Diagramm beschrieben werden.

  • Die Ganglinie, Ausgangspunkt für hydrologische Abflussuntersuchungen, gibt für Zeitintervalle (z. B. Tage, Stunden) den eine Abflussmenge an.
  • Die Dauerlinie ist nach ihren Abflusswerten geordnet und gibt somit an, an wie vielen Tagen eines Jahres ein bestimmter Abflusswert überschritten bzw. unterschritten wird.
  • Die Summenlinie ist für die Bemessung von Wasserkraftanlagen mit Speicher von Bedeutung. Sie entsteht durch Aufsummieren der Ganglinie über die Zeit.
  • Um bei Hochwasserereignissen den Abfluss beschreiben zu können, wird die Fülllinie verwendet. Existieren nicht genug Daten für einen bestimmten zu prüfenden Standort, können statistische Verfahren zur Erhebung der Daten angewandt werden. Aus der Kenntnis über die Abflussdaten, den Typ des geplanten Kraftwerks, die Turbinenwahl und weitere geplante Nutzungen des Wassers, wie Schifffahrt oder ökologisch bedingte Mindestwasserabgabe, kann der, für das bestimmte Kraftwerk, ausgelegte Ausbaudurchfluss bestimmt werden. Bei ihm soll, mit gleichzeitig günstigem Wirkungsgrad, die Leistung maximal werden. Je nach Kraftwerksgröße wird der Ausbaudurchfluss so ausgelegt, dass er an etwa 100 Tagen im Jahr überschritten wird.

Ob eine Wasserkraftanlage rentabel ist, ergibt sich aus den Kosten, den Mengen und den dafür erzielbaren Strompreisen (siehe auch Kosten-Nutzen-Verhältnis).

Rechtliches

In Deutschland beschäftigen sich das Wasserhaushaltsgesetz (WHG), das Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) und das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Wasserkraft.

Ökonomie

Die Kosten für eine Wasserkraftanlage setzen sich aus den Anlagen- und den Betriebskosten zusammen. Die Anlagenkosten, auch Investitionskosten genannt, setzen sich wiederum aus allen Ausgaben für den Bau der Anlage zusammen. Im Gegensatz zu Verbrennungskraftwerken muss bei der Energiegewinnung aus Wasserkraft keine oder nur geringe Gebühren für die jeweilige Ressource gezahlt werden, da sie fast unbegrenzt zur Verfügung steht. Das bedeutet, dass die Betriebskosten - mit Ausnahme von Pumpspeicherkraftwerken - bei voll funktionsfähigen Wasserkraftwerken sehr gering im Vergleich zu den Anlagenkosten ausfallen.

Die Frage der Wirtschaftlichkeit richtet sich danach, in welchem Verhältnis die Anlagen- und Betriebskosten zum Roherlös stehen. Insgesamt kann man sagen, dass die entscheidenden Faktoren die Anlagenkosten und die Ausnutzungsdauer sind. Wasserkraft ist für die Energiewirtschaft zumeist grundlastfähig. Es kann also in diesen Fällen fast ständig Strom produziert werden, wodurch eine Gewinnkalkulation mit dem im EEG festgelegten Vergütungsgebühren durchgeführt werden kann. Grundsätzlich gilt, dass Wasserkraftwerke in der Regel sehr lange Betriebsdauern aufweisen und sich über die Laufzeit sehr gut amortisieren.

Wasserkraftnutzung und Ökologie

Obwohl die Nutzung von Wasserkraft zur Energiegewinnung meist als besonders ökologisch anerkannt wird, sind mit ihr teilweise erhebliche Eingriffe in die Natur und Landschaft verbunden. So wurde eines der bedeutendsten Naturdenkmale am Rhein, der Kleine Laufen bei Laufenburg für das erste stromquerende Kraftwerk am Rhein gesprengt. Das Kraftwerk ging 1914 in Betrieb. Auch für den Rheinfall von Schaffhausen (auch Großer Laufen) wurden ab 1887 mehrfach Anstrengungen unternommen, die ungenutzt zu Tale stürzenden Wassermassen der Energiegewinnung zuzuführen. Ein aktuelles Beispiel, bei dem die Energiegewinnung durch Wasserkraft gleichzeitig ein gravierender Eingriff in ein Ökosystem bedeutet, ist der Drei-Schluchten-Damm am Jangtsekiang in China.

Vielfach werden kleine Wasserkraftwerke als ökologisch verträglich angesehen. Dabei argumentieren Befürworter so, dass Anlagen, die nach neuesten Standards und fachgerecht gebaut seien, die Gewässer nicht belasten und diese teilweise durch den Bau von Fischaufstiegen oder durch Begleitmaßnahmen „ökologisch aufgewertet“ werden. Kritiker wenden dagegen vielfach ein, dass Kleinwasserkraftanlagen und damit verbundene Eingriffe wie Anstau, Verbauungen oder verminderte Restwassermengen insbesondere durch ihre Vielzahl und gestreute Verteilung in einem Flussgebiet schwere kumulative Eingriffe in die betroffenen Ökosysteme darstellten.

Vorteile:

  • Wasser zählt zu den regenerativen Rohstoffen, d. h. es wird nicht verbraucht,
  • fossile Energieressourcen, wie Kohle, Erdöl und -gas werden geschont
  • Unabhängigkeit von konventioneller Energieträgern
  • Klimaschutz, da CO2-arm
  • Anlageteile sind nach Ende der Betriebszeit recyclebar
  • Hochwasserschutz für Unterlieger
  • Speicherseen sind gleichzeitig Trinkwasserreservat

Nachteile:

  • Durch die Ausleitung von Wasser wird die Wassermenge in der Gewässerstrecke zwischen Anstau und Wiedereinleitung unterhalb der Turbinen verringert. Diese Verringerung auf die sogenannte Restwassermenge stellt einen Eingriff in den Wasserhaushalt dar, wobei in einzelnen Fällen großräumige Veränderungen des ökologischen Gleichgewichts entstehen können
  • ökologischen Barriere: Fische und Kleinstlebewesen können nicht mehr ihre gewohnten Wanderungen durchführen, oder sterben wenn sie in die Turbinen eingezogen werden
  • verringerte Fließgeschwindigkeit aufgrund des Gewässeraufstaus führt zu verringerter Sauerstoffkonzentration und Erhöhung der Wassertemperatur
  • Grundwasserspiegel im Bereich des Unterlaufs kann stark abnehmen, während er im Bereich der Aufstauung ansteigen wird. Je nach Art der Zusammensetzung von Flora und Fauna hat dies zerstörende Wirkungen auf deren Zusammenleben
  • Geschieberückhalt und damit Sedimentation oberhalb und eine verstärkte Erosion unterhalb der Staustufe verbunden
  • Große Talsperren können sich auch auf das Klima negativ auswirken. Vor allem wenn Flächen in warmen Regionen und mit viel Vegetation überflutet werden, kommt es durch Faulungsprozesse zur Emission der Treibhausgase Methan und Kohlenstoffdioxid
  • Bei Dammbruch besteht das Risiko einer Zerstörung des Lebensraums für Mensch und Natur
  • Beim Anlegen des Stauraums werden teilweise riesige Flächen überflutet, wobei neben der biologischen Vielfalt auch der Lebensraum für Menschen verloren geht
  • Stauseen lassen Gase wie CO₂ und Methan (mit 25-fachem Treibhauspotenzial wie CO2) entstehen, welche die Globale Erwärmung anheizen. Die Menge hängt insbesondere vom Bewuchs vor der Stauung ab, sowie dem Alter des Sees (ab der Flutung abnehmend).[8] Bei sehr ungünstigen Bedingungen, d. h. einem sehr flachen Stausee unter tropischen Bedingungen, können die Treibhausgasemissionen auch die eines Steinkohlekraftwerkes erreichen.[9]

Lösungen für ein Miteinander:

Um dem Spannungspotenzial zwischen Klima-, Natur- und Gewässerschutz gerecht werden zu können, werden nun einige wasserbauliche Maßnahmen vorgestellt, die versuchen diesen Konflikt zu vermindern. Die einfachste Möglichkeit die Natur vor weiteren Eingriffen zu schützen, ist diese komplett zu unterlassen. Deshalb sollte in erster Linie der Ausbau der Wasserkraft an bestehenden Anlagen vollzogen werden. Durch neuartige technische Verbesserungen der Anlagenteile kann man eine Leistungssteigerung, bei gleichzeitiger Verbesserung der gewässerökologischen Situation erreichen. Die weitere Entwicklung besteht also im Ersatz und der Modernisierung bereits bestehender Anlagen. Durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz wird für solche Fälle die Vergütung neuer oder modernisierter Anlagen so geregelt, dass sich der ökologische Zustand des Gewässers mit dem Bau oder der Modernisierung verbessern muss. Außerdem muss vor allem auch den Natur- und Gewässerschutz stets beachtet werden. Solange aber die umweltrelevanten Aspekte berücksichtigt werden, steht dem Bau neuer Wasserkraftanlagen nichts entgegen. Durch verschiedene Gestaltungs- und Kompensationsmaßnahmen ist es möglich die Ökologie eines Gewässers zu verbessern. Zwingend notwendig, um die Gewässerökologie zu verbessern oder zu erhalten, ist eine Mindestwasserabgabe an den Unterlauf und die Geschiebedurchgängigkeit zu gewährleisten. Außerdem zählen Fischtreppen als Auf- und Abstiegshilfen oder Umgehungsgerinne zur Verbesserung der ökologischen Durchgängigkeit für Lebewesen als entscheidende Baumaßnahme. Es gibt mittlerweile auch technisch verbesserte Turbinen, die es möglich machen, dass Fische sie meist unverletzt passieren können. Auch das Problem des geringen Sauerstoffgehalts kann durch sogenannte „Luft“-Turbinen, die Sauerstoff in das Gewässer eintragen, gelöst werden. Eine möglichst naturnahe Gestaltung der Gewässer durch Schaffung von Tief- und Flachwasserzonen, Altarmen und eine Verbesserung der Strukturvielfalt im Stauraum des Kraftwerks etwa durch Schotterbänke führt zu einem natürlichen Gewässerprofil und verbessert die Habitate der von Flora und Fauna. Um das landschaftliche Erscheinungsbild nicht zu zerstören, sollte die Anlagen harmonisch in die Landschaft eingegliedert werden.

Einen gänzlich neuartigen Ansatz zur ökologisch weitgehend unbedenklichen Nutzung von Wasserkraft stellt der Einsatz speziell konstruierter Turbinen zur Erzeugung von Strom in Abwasserkanälen dar[10], bei denen sich selbst bei nachträglichem Einbau in bestehende Abwasserkanäle weder Eingriffe in das Landschaftsbild noch Beeinträchtigungen von Fischwegen ergeben. Zudem kann durch Nutzung von Abwasserkanälen die Stromproduktion aufgrund der flächenhaften Verbreitung von Abwasserkanälen dezentral und damit nahe an potenziellen Verbrauchern erfolgen.

Literatur

  • Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen – Planung, Bau und Betrieb. Springer Verlag, 2003, ISBN 3-540-44391-6.
  • Bernd Uhrmeister, Nicola Reiff, Reinhard Falters: Rettet unsere Flüsse – Kritische Gedanken zur Wasserkraft. Pollner Verlag, 1998, ISBN 3-925660-59-3.
  • Michael Hütte: Ökologie und Wasserbau: Ökologische Grundlagen von Gewässerausbau und Wasserkraftnutzung. Parey, 2000.
  • Patric Jetzer: Die Wasserkraft Weltweit Carlsen Verlag, 2009.
  • Valentin Crastan: Elektrische Energieversorgung 2; 2004
  • Sándor O. Pálffy: Wasserkraftanlagen, Klein- und Kleinstkraftwerke, 6. Auflage 2006
  • Unlrich Maniak: Hydrologie Und Wasserwirtschaft: Eine Einführung Für Ingenieure; 6. Auflage 2010
  • J. Giesecke, G. Förster: Ausbau der Wasserkraft; 1994
  • Christoph Jehle: Bau von Wasserkraftanlagen; 5. Auflage 2011. VDE Verlag Müller (c.f.), Heidelberg
  • Georg Küffner: Von der Kraft des Wassers; 2006
  • BMU (2009): Erneuerbare Energien – Innovationen für die Zukunft, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Berlin.
  • Toni Schmidberger: Das erste Wechselstromkraftwerk in Deutschland, Bad Reichenhall, 1984. Druck: Slavik, Marzoll.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. World Development Indicators: Electricity production, sources, and access. Weltbank. Abgerufen am 22. Dezember 2013.
  2. Toni Schmidberger: Das erste Wechselstrom-Kraftwerk in Deutschland, 1984, S. 9-33
  3. Kernenergie Weltreport 2012. www.kernenergie.de. Abgerufen am 22. Dezember 2013.
  4. Renewables 2013. Global Status Report (PDF; 6,9 MB). REN21. Abgerufen am 1. Dezember 2013.
  5. Kurzinfo des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
  6. [1] Eurostat Energiestatistik
  7. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Erneuerbare Energien in Zahlen. Nationale und internationale Entwicklung. Berlin 2013
  8. Wie sauber ist die Wasserkraft? – „Nature“-Studie sieht Wasserkraftwerke als CO2-Schleudern, Forschung aktuell vom 1. August 2011 im Deutschlandfunk.
    Talsperren weniger klimaschädlich als vermutet, Spiegel Online am 1. August 2011
    Stauseen – die kleinen Klimasünder, NZZ Online am 3. August 2011
    Carbon emission from hydroelectric reservoirs linked to reservoir age and latitude, Nature am 25. Februar 2011
  9. http://sylvester.bth.rwth-aachen.de/dissertationen/2004/017/04_017.pdf
  10. [2] Elektrischer Strom aus Abwasser - eine neuartige Form der Nutzung umweltfreundlicher Wasserkraft