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Wasserkraftwerk

Definition: ein Kraftwerk, welches elektrische Energie mit Hilfe von strömendem Wasser gewinnt

Allgemeinerer Begriff: Kraftwerk

Spezifischere Begriffe: Wasser-Speicherkraftwerk, Laufwasserkraftwerk, Pumpspeicherkraftwerk

Englisch: hydroelectric power station

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 18.07.2010; letzte Änderung: 25.03.2020

Wasserkraftwerke (Wasserkraftanlagen) gehören zu den wichtigsten Anlagen für die Gewinnung erneuerbarer Energie. Das Grundprinzip ist, dass zunächst mechanische Energie dem Wasser entnommen wird, welches einem höher gelegenen Reservoir entnommen und auf tieferem Niveau wieder abgegeben wird. Diese mechanische Energie dient zum Antrieb eines Generators, der daraus elektrische Energie erzeugt.

Unabhängig von der Art des Wasserkraftwerks kann die gewonnene elektrische Leistung mit der folgenden Formel berechnet werden:

Leistung eines Wasserkraftwerks

wobei η der Wirkungsgrad der Anlage ist (unter Berücksichtigung von mechanischem und elektrischem Teil), ρ = 1000 kg/m3 die Dichte des Wassers, Q das pro Sekunde nutzbare Wasservolumen (in m3/s), g = 9,81 m/s2 die Erdbeschleunigung und h der Höhenunterschied (Nutzgefälle) zwischen Wasserzufluss und -abfluss. Beispielsweise hat ein Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 80 %, welches pro Sekunde 100 m3 Wasser bei einem Höhenunterschied von 100 m nutzt, eine Leistung von 78,5 MW. Die gleiche Leistung ergäbe sich mit zehnmal weniger Höhenunterschied, wenn dafür zehnmal mehr Wasser zur Verfügung stünde.

Zum Teil werden auch Osmosekraftwerke als Wasserkraftwerke bezeichnet. Sie nutzen Konzentrationsunterschiede von Salz (Salzgradienten) zwischen Fluss- und Meerwasser aus.

Typen von Wasserkraftwerken

Verschiedene Bauformen von Wasserkraftwerken unterscheiden sich nicht nur in diversen technischen Details, sondern sehr stark auch in der Art der Nutzung:

  • Laufwasserkraftwerke arbeiten an Flüssen. Hierfür charakteristisch sind große Wassermengen, aber ein geringer Höhenunterschied. Wichtig ist, dass hier kein Wasser gespeichert wird; die anfließende Wassermenge muss sofort genutzt werden. Man erhält damit eine gleichmäßige Stromerzeugung rund um die Uhr, die für die Deckung der Grundlast geeignet ist. Die täglich erzeugte Energiemenge kann gewissen jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen sein; sie kann z. B. im Frühjahr wegen des Schmelzwassers deutlich höher sein als im Winter.
  • Wasser-Speicherkraftwerke verfügen über einen großen Wasserspeicher – beispielsweise eine Talsperre, die das Wasser über Wochen oder sogar Monate speichern kann. Hier werden die Turbinen meist sehr viel stärker ausgelegt, als der mittleren Zuflussmenge entspricht. Damit lassen sich dann kurzzeitig sehr hohe Leistungen erzeugen, wenn ein entsprechender Bedarf besteht. Der entstehende Spitzenlast-Strom kann entsprechend teurer verkauft werden.
  • Pumpspeicherkraftwerke sind Speicherkraftwerke, bei denen der Speicher in Zeiten mit überschüssiger elektrischer Energie wieder aufgefüllt werden kann. Sie können effektiv als Speicher für elektrische Energie dienen.
  • Gezeitenkraftwerke liegen zwischen dem Meer und einem großen Wasserreservoir an der Küste und nutzen die Schwankungen des Wasserstands im Meer (die Gezeiten).
Wasserkraftwerk Laufenburg
Abbildung 1: Das Flusswasserkraftwerk in Laufenburg am Rhein, welches je zur Hälfte Strom für Deutschland und die Schweiz erzeugt, insgesamt rund 700 Mio. Kilowattstunden = 700 GWh jährlich. Quelle: Energiedienst, der Betreiber des Kraftwerks.

Relativ neue, noch wenig genutzte Arten von Wasserkraftwerken sind

  • Meeresströmungskraftwerke und Schiffmühlen, bei denen ein Wasserrad eine nach außen nicht begrenzte Strömung nutzt
  • Wellenkraftwerke, die nicht Strömungen, sondern Meereswellen nutzen, damit indirekt die Windenergie
  • Ein Sonderfall sind Trinkwasserkraftwerke, die zur Nutzung überschüssiges Drucks in Trinkwasserleitungen eingesetzt werden.

In den meisten Wasserkraftwerken kommen Wasserturbinen zum Einsatz, deren Bauart der Wassermenge und dem Nutzgefälle (damit dem Wasserdruck) angepasst ist. Beispielsweise sind Kaplan-Turbinen und Durchströmturbinen geeignet für Laufwasserkraftwerke mit geringem Höhenunterschied (Niederdruckkraftwerke). Francis-Turbinen und vor allem Pelton-Turbinen sind besser geeignet für mittlere bis hohe Druckniveaus, etwa bei Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken.

Kleinwasserkraftwerke

Große Wasserkraftwerke erzeugen elektrische Leistungen von hunderten von Megawatt oder sogar mehreren Gigawatt. Es gibt aber auch kleine Anlagen, die nur wenige Megawatt oder sogar weit unter 1 MW erzeugen. Früher gab es z. B. in Deutschland viel mehr solcher Anlagen als heute; viele wurden wegen mangelnder Wirtschaftlichkeit außer Betrieb genommen. Neuerdings gibt es Bestrebungen, solche Anlagen zu reaktivieren. Neue optimierte Bauweisen, die eine höhere Energieausbeute ermöglichen und gleichzeitig die Umweltauswirkungen (z. B. auf Fische) reduzieren, bieten hier neue Perspektiven. Wegen der beschränkten Zahl geeigneter Standorte ist allerdings nicht zu erwarten, dass Kleinwasserkraftwerke insgesamt einen Beitrag leisten können, der mit dem der Großwasserkraft vergleichbar wäre.

Fragen und Kommentare von Lesern

25.03.2020

Wie lange kann so ein Wasserwerk betrieben werden?

Antwort vom Autor:

Meist über viele Jahrzehnte. Siehe Wikipedia für eine Liste der Wasserkraftwerke in Deutschland. Etliche stammen aus den 1920er und 1930er Jahren, ein paar wurden sogar vor 1900 gebaut. Meist braucht man alle paar Jahrzehnte mal eine umfassendere Sanierung.

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sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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