Wasserkraft - Energiegewinnung durch Wasserkraft

Daniel Wolter:

Wasserkraft

Energiegewinnung durch Wasser

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wasserkraft gehört zu den ältesten Energiequellen der Menschheit. Jahrhunderte lang wurde sie als mechanische Energie zum Betrieb von Mühlen, Hammerwerken, Sägewerken (Bild rechts ) ähnlichen Anlagen genutzt. Heute wird die Kraft der Flüsse und Talsperren hauptsächlich zur Stromerzeugung verwendet. Die Wasserkraft hat in Deutschland einen Anteil von 4,3%, incl. 660 Wasserkraftwerken an der gesamtenöffentlichen Stromversorgung. Sie ist die meist genutzte regenerative Energiequelle (sie hat einen Anteil von 85 % an den regenerativen Energiequellen).

Neben der Energieumwandlung werden die Stauseen auch zur Trinkwasserspeicherung, Bewässerung und Hochwasserschutz verwendet.

Geschichte:

Das Wasser gewaltige Kräfte besitzt wussten die Perser und Chinesen schon im Altertum. Im 3.Jh. v.Chr. ließen die Römer die Energie der horizontalen Wasserräder über Zahnräder auf vertikale Mühlräder übertragen. Es gab das oberschlächtige Wasserrad, das senkrecht ins Wasser tauchte und über einen Wasserzulauf von oben angetrieben wurde. Das unterschlächtige Wasserrad taucht statt dessen mit seinem untersten Teil ins strömende Wasser. Das Gewicht des Wassers brachte die Räder in Bewegung. Um 100 v.Chr. nutzten die Griechen die Wasserkraft um Mühlen anzutreiben. Von einem Fluss wurde ein Wasserstrahl abgeleitet, der ein aufrecht stehendes Rad zum drehen brachte. Das Rad war mit einer Kurbelwelle verbunden, die den Mühlstein bewegte. Doch erst 1000 nach Christus kam dieses Wissen ins übrige Europa. Über 700 Jahre arbeiteten Fabriken, Sägewerke und Papiermühlen mit Wasserkraft an Bächen und Flussläufen. Im 17. Jahrhundert entwickelte man große Wasserräder aus Holz, die eine maximale Leistung von etwa 37 Kilowatt erbrachten. Die moderne Wasserkraft verdankt ihre Entwicklung dem englischen Bauingenieur John Smeaton, der als erster große Wasserräder aus Gusseisen baute.

Dämme und Kanäle benötigte man um bei Gefällen von mehr als fünf Metern mehrere Wasserräder hintereinander bauen zu können. Der Bau großer Staudammanlagen war Anfang des 19. Jahrhunderts noch nicht möglich.

Die niedrigen Wasserstände im Sommer und im Herbst führten in Verbindung mit dem Einfrieren im Winter dazu, dass fast alle Wasserräder durch Dampfkraftanlagen ersetzt wurden.

Die ersten Wasserkraftwerke zur Stromgewinnung wurden 1880 in England errichtet. Die Wiedergeburt der Wasserkraft erfolgte um die Jahrhundertwende, als amerikanische Ingenieure eine Wasserturbine mit einem elektrischen Generator koppelten. Das Wasser trifft auf die Schaufelräder einer Turbine, die sich zu drehen beginnt. Dadurch wird der Generator aktiviert, der wie ein Fahrraddynamo funktioniert. Auch die größere Nachfrage nach Strom spielte eine Rolle. Mit der Entdeckung des "dynamo-elektrischen Prinzips" durch Werner von Siemens 1866 war der Grundstein für die Stromerzeugung aus Wasserkraft gelegt.

Heute:

Wasserkraft gilt heute als eine der umweltfreundlichsten Energiequellen.

Die Technik ,der meisten großen Anlagen, änderte sich auch zu Beginn des 20. Jahrhunderts nicht. Die Kraftwerke sind von einem großen, höher gelegenen Wasserspeicher abhängig, wo der Wasserstrom gesteuert und ein fast konstanter Wasserstand aufrechterhalten werden kann.

Fließendes Wasser in Flüssen folgt der Schwerkraft. An natürlichen Wasserfällen oder an den Aufstauen erzeugten künstlichen Wasserfällen, wird die Energie des Wassers in Generatoren, die von Turbinen angetrieben werden, in elektrische Energie umgewandelt. In Wärmekraftwerken wird Wasser durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch Kernspaltungsprozesse auf hohe Temperaturen erhitzt, Wasserdampf wird auf Turbinen geleitet, die Generatoren antreiben und so elektrische Energie erzeugen. In allen Wasserkraftwerken ist Wasser, egal ob in flüssiger oder gasförmiger Form, welches die Turbinen antreibt.

Die Konstruktion der Turbinen richtet sich nach der Fallhöhe. Bei unterschiedlichen Fallhöhen werden also unterschiedliche Turbinen verwendet. Im Gegensatz zu Speicheranlagen, die vom Stauen großer Wassermengen abhängig sind, gibt es ein paar Beispiele, wo sowohl das Gefälle als auch die stetige Durchflussmenge ausreichen, um so genannte Laufwasserkraftwerke zu betreiben. Ein solches Kraftwerk ist die gemeinsame Anlage der USA und Kanadas an den Niagarafällen.

Überall auf der Welt stehen heute Wasserkraftwerke. Die größten wurden in Afrika und Lateinamerika gebaut. In Itaipu/Brasilien steht das größ te Wasserkraftwerk der Welt. Es kann bis zu 12600 Megawatt Strom liefern. Der Staudamm ist 17 km lang und bis zu 196 Meter hoch. Es wurde 1982 eingeweiht und zwang 42000 Menschen ihre Heimat zu verlassen.146000 Hektar Regenwald des Amazonasgebiets versanken für immer im Wasser. Im November 1997 wurde in China mit dem Bau des größten Staudamms der Welt begonnen. Bis zum Jahre 2009 soll der dortige Jangze-Fluss auf einer Länge von 660 Kilometern aufgestaut werden. Das angeschlossene Kraftwerk soll 18200 Megawatt Strom liefern. Bei solchen Veränderungen in der Umwelt verlieren nicht nur Menschen ihre Heimat, sondern auch das Gleichgewicht der Natur wird gestört. Stauseen vernichten riesige Landflächen. Durch die Überflutung werden seltene Tier- und Pflanzenarten zerstört. Jährlich brechen auf der Erde 5 Staudämme. Die Flutwelle reißt die Menschen in den Tod. Die Wartung der Dämme kostet viel Geld. Es wäre besser, wenn man mit kleinen, wartungsarmen Generatoren arbeiten würde, um Strom zu erzeugen. Diese können sogar mit Sonnenenergie betrieben werden.

In Bayern nimmt Wasserkraft beim Verbrauch des aus erneuerbaren Energiequellen erzeugten Stroms mit rund 18 Prozent den ersten Platz in Deutschland ein. Gleichzeitig ist die Wasserkraft die günstigste Energieform bei dieser Energiequelle. Mit der Nutzung der Wasserkraft können also Investitionen niedrig gehalten werden, weil die Entwicklungskosten durch ausgereifte Technik gering sind und die Kraftwerke eine Lebensdauer von 50 und mehr Jahren haben. Außerdem ist bei Wasserkraftanlagen, die einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent haben, das Verhältnis von Energieernte zu Energieaufwand günstig. Wasser ist sozusagen allzeit bereit:

Als Energieträger steht es jederzeit ohne energieintensive Aufbereitung zur Verfügung.

Wasserkraftnutzung ist angewandter Umweltschutz. Die Rechenreinigungsanlagen der Kraftwerke befreien die Gewässer von pflanzlichem Schwemmgut und Wohlstandsmüll jeglicher Art. Durch die Stauung der Flüsse wird die natürliche Erosion verlangsamt. Außerdem produziert ein Wasserkraftwerk keine schädlichen CO2-Emissionen. Mit einem solchen Kraftwerk wird der Hochwasserschutz verbessert. Und rund um die Kraftwerksanlagen entstehen oft Naturschutzgebiete, die Tieren und Pflanzen neue Lebensräume bieten.

Die im Wasser steckende Kraft nennt der Physiker "Lageenergie", erst wenn Wasser in die Tiefe fällt, kann seine Kraft genutzt werden. Der Nutzen ist um so höher, je mehr Wasser um so tiefer fällt. Für die Stromerzeugung aus Wasserkraft, stehen je nach Bedarf und geographischen Gegebenheiten drei Kraftwerkstypen zur Verfügung.

Wie man die Energie des Meeres anzapfen kann, überlegten auch japanische Wissenschaftler.

Das Ergebnis:

Der "Wellenwal", ein mehr als 50 Meter langes und 30 Meter breites, schwimmendes Ungetüm, dass die anlaufenden Wellen schluckt und in Strom umwandelt. Durch die Bewegung der Wogen wird abwechselnd Luft in spezielle Kammern hineingeblasen oder aus ihnen herausgesaugt. Der Luftstrom setzt die Turbine zur Stromgewinnung in Gang. Von einer Wirtschaftlichkeit ist die Versuchsplattform jedoch noch weit entfernt. Schon seit 1985 wird das Luftpumpen-Prinzip an der steilen Felsküste der schottischen Insel Islay angewandt. Dabei wälzt sich die Brandung in eineöffnung und drückt Luft durch eine Röhre. Die durch den hin- und herrauschenden Luftstrom angetriebene Turbine ist rein rechnerisch in der Lage, 50 Haushalte mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Leistung der Anlage schwankt je nach Wellengang zwischen 35 und 70 Kilowatt (kW).

Auch in Indien sind solche Wellenkraftwerk e seit Mitte der 80er Jahre in Betrieb. In Portugal ließen die Verantwortlichen 1998 anlässlich der Weltausstellung Expo ein Pilotprojekt auf den Azoren errichten.

Das größte Wasserkraftwerk in Krasnoyarsk (Russland) liefert 6 GW Strom. Das entspricht einer Menge von Hundert-Watt-Glühlampen (105 cm x 6 cm x 6 cm), die in Zimmerhöhe gestapelt zwei Fußballplätze füllen. Die Fallhöhe des Wassers beträgt bis zu 2 Kilometer Der größte Tidenhub(Unterschied des Wasserstandes zwischen Niedrig- und Hochwasser) von 21 Metern ist der Fundabay in Neubraunschweig (Kanada). Der größte Inhalt eines Stausees beträgt 205 Kubikkilometer, der Bodensee hat gerade mal 48. Der Wirkungsgrad der Wasserkraftwerke liegt zwischen 80 und 90 Prozent. Beim Auto ist dieser Wert gerade mal 20%, bei einer Glühlampe 5%.

Die wichtigsten Arten von Wasserkraftwerken:

Laufwasserkraftwerke: Laufwasserkraftwerke sind die einfachste und häufigste Art von Kraftwerken. Es sind meist Wasserräder an Flüssen oder Kanälen. Sie laufen in ständigem Betrieb und liefern Strom ins Netz. Um den Druck zu erhöhen, werden die natürlichen Widerstände in den Flüssen verkleinert. Der Sinkstofftransport wird vermindert, und vor allem werden Flüsse begradigt, wodurch die Erosion abnimmt. Zudem wird die Fließgeschwindigkeit des Wassers verringert, um die innere Reibung zu verkleinern. Meist entsteht der Druck auch noch durch ein Gefälle, da das Wasser über eine weite Strecke einen Berg hinabfließt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Speicherwasserkraftwerke:

Nutzen Wasser aus hochgelegenen Seen, das über Druckrohrleitungen oder Stollen auf die Turbinen des im Tal gelegenen Kraftwerks fließt.

Pumpspeicherkraftwerk:

Pumpspeicherkraftwerke arbeiten nach dem Schema "Erst pumpen, dann speichern". Meist verfügen sie über ein künstlich angelegtes Speicherbecken, das im allgemeinen nicht durch Zuflüsse gefüllt wird. In Zeiten geringen Strombedarfs wird Wasser aus einem natürlichen Gewässer nach oben in das Speicherbecken gepumpt. Wenn dagegen viel Strom benötigt wird, kann das Wasser aus dem oberen Becken über die Turbinen abgelassen werden. Dabei wird wertvoller Spitzenstrom erzeugt.

Wellenkraftwerke:

Kleinere Leistungen lassen sich auch durch die Nutzung des Wellenschlags erzielen. Dies ist allerdings nur an dafür günstigen Küsten möglich, wie sie etwa England, Norwegen, Frankreich und Dänemark haben. Ein Dorf auf der schottischen Insel Islay bezieht seinen Strom z.B. von einem Wellengenerator. Dabei werden die Wellen in eine Betonkammer gelenkt. Der plötzliche Wasseranstieg presst die Luft in der Kammer zusammen, und die so entstehende Pressluft treibt eine Turbine an. Ebenso wird der Unterdruck beim Zurückschwappen der Welle zum Antrieb der Turbine benutzt. Für die Stromgewinnung aus Wellenkraft gibt es verschiedene Varianten. An deutschen Küsten kommt eine Nutzung der Wellen wie auch der Gezeiten nicht in Betracht, da die Kosten in keinem Verhältnis zu dem bescheidenen Nutzen stehen.

Gletscherkraftwerke: Auch die zweitgrößte Eismasse der Welt, das Grönländische Inlandeis, wird zur Stromgewinnung eingesetzt. Das Eis hat eine Masse von 2,4 Millionen Kubikkilometern. Der Bodensee hingegen hat nur 48 Kubikkilometer. Bei Gletscherkraftwerken wird ein Schmelzwassersee an seinem tiefsten Punkt angebohrt, damit man auch im Winter genug Wasser hat, obwohl die Oberfläche 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 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 Terawattstunden Strom gewinnen kann!

Gezeitenkraftwerke: Dieser Kraftwerkstyp nutzt die doppelte Kraft des Wassers aus: Das Wasser wird zweimal durch Turbinen geleitet: Das erste Mal, wenn es bei Flut ein Becken füllt, das zweite Mal, wenn es bei Ebbe wieder aus diesem Becken herausfließt. Das lohnt sich aber nur bei großen Tidenhüben, zum Beispiel in Saint-Malo an der französischen Küste.

Das Wasser steigt und fällt hier 13,5 Meter, und es wird jeweils durch 10 Turbinen geleitet, die in einer 750 Meter langen Staumauer eingebaut sind. Das Kraftwerk liefert 0,24 Gigawatt Strom.

Nun gibt es aber noch verschiedene Turbinenarten:

Francisturbine:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Jahre 1849 entwickelte der Engländer James Francis eine Turbine mit verstellbaren Flügeln, die vor allem in Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt wird. Wasser strömt durch Ringkanal über verstellbare Leitschaufeln in das Laufrad ein. Fallhöhe: bis zu 800m; Leistung: bis zu 750 MW; Wirkungsgrad: bis zu 90%.

Kaplanturbine:

Die um 1910 von demösterreichischen Ingenieur Viktor Kaplan entwickelte Turbine ähnelt einer Schiffsschraube. Ihr Laufrad trägt mehrere Propellerflügel, die axial durchströmt werden und zur Anpassung an schwankendes Wasserangebot verstellt werden können. Einsatzbereich sind die Laufwasserkraftwerke. Fallhöhe: bis zu 200m; Leistung: bis zu 125 MW; Wirkungsgrad: bis zu 95%.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Peltonturbine:

Der Amerikaner Lester Pelton konstruierte 1889 eine Turbine, bei der das Wasser tangential aus einer oder mehreren Düsen auf becherförmige Schaufeln eines Turbinenrades trifft. Wasser spritzt über Düsen auf Schaufelblätter, erfährt dort Ablenkung um fast 180 ° und gibt so Energie fast vollständig an die Turbine ab. Sie wird vorwiegend in Wasserkraftwerken mit sehr großen Fallhöhen und vergleichsweise geringen Wassermengen eingesetzt. Fallhöhe: 550 bis 2000m, Leistungen: bis zu 500 MW, Wirkungsgrad: über 90%.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durchströmturbine:

Durchströmturbinen verfügen über ein walzenförmiges Laufrad mit gekrümmten Schaufeln. Sie sind auf Höhen bis zu 200 Metern angelegt und zeichnen sich durch einen einfachen, robusten und kostengünstigen Aufbau aus. Das Wasser wird dem Laufrad über den Leitapparat zugeführt, der in zweiteiliger Ausführung einen hohen Wirkungsgrad im Teillastbereich gewährleistet.

Im Hinblick auf Verschleißfestigkeit sind Durchströmturbinen anfälliger als Francis-, Pelton oder Kaplanturbinen, aufgrund des relativ geringen Preises und ihrer guten Steuerbarkeit haben sie sich jedoch insbesondere im Bereich der Kleinwasserkraftanlagen durchgesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vor- und Nachteile der Wasserkraft

Vorteile

- kein Verbrauch natürlicher Ressourcen
- keine Emission von Schadstoffen und nur geringe Abwärme
- hoher Wirkungsgrad (etwa 90%)
- lange Lebensdauer einer Anlage (ca. 50 Jahre)
- einfache und bewährte Technologie
- niedrige Betriebskosten, aufgrund geringer Erfordernisse an Wartung und Bedienung
- Energiespeicherungsmöglichkeit
- Schnelligkeit des Anfahrens und Abstellens einer Anlage
- Verbesserung derökologischen Verhältnisse an einem zuvor naturfern ausgebauten Gewässer
- Hebung des Grundwasserspiegels

Nachteile

- vergleichsweise hohe Investitionskosten (1000-6000 DM /kW installierter Leistung)
- häufig große Entfernungen zwischen günstigen Wasserkraftstandorten und Verbraucherzentren
- Energieerzeugung unregelmäßig
- Überstauung anderweitig nutzbarer Flächen undökologisch wertvoller Lebensräume
- soziologische Effekte aufgrund von Umsiedelungen
- Störung des Wasserhaushalts
- Unterbrechung und Einschränkung des Lebensraumes für Wanderfische
- Landflächen werden durch Überflutungen vernichtet
- Menschen kommen zu Tode

Fazit

Die Energiegewinnung durch Wasserkraftnutzung ist sicherlich ein nicht zu vernachlässigender Beitrag zuröffentlichen Stromversorgung. Die Ausbaupotentiale sind realistisch gesehen jedoch relativ gering und es muss davon ausgegangen werden, dass in den nächsten Jahren nur geringe Steigerungen zu erwarten sind. Angesichts der Tatsache, dass in der Bundesrepublik kaum noch intakte Fließgewässer vorhanden sind, erscheint auch jeder weitere Eingriff in dieökosysteme als problematisch. Der Umweltschutz mit Schonung der Energieträger und Reduzierung der CO2- Emissionen kann nicht auf Kosten des Gewässer- und Naturschutzes erfolgen.