Wasserkraft
Wasserkraft zählt wie Solarenergie und Windkraft zu den erneuerbaren Energien. Bei der Nutzung von Wasserkraft wird kinetische Energie von fließendem Wasser oder die potenzielle Energie (Lageenergie) in mechanische Arbeit umgewandelt und kann so beispielsweise für die Stromerzeugung genutzt werden.
Historisch betrachtet zählt Wasserkraft zu den ältesten genutzten Energien. Die Nutzung geht über tausende Jahre zurück, denn bereits in China und Ägypten nutzten die Menschen vor etwa 5000 bzw. 3500 Jahren mechanisch betriebene Wasserschöpfräder, um ihre Felder zu bewässern. Zu Zeiten des Römischen Reiches und im alten Griechenland wurde Wasser später als Antrieb für eine Vielzahl von Anlagen genutzt. Die Archimedische Schraube ist eine der ältesten mechanischen Vorrichtungen, deren Prinzip bis heute genutzt wird. Sie wurde vor etwa 4000 Jahren erfunden.
Entwicklung als Energieträger
Die Archimedische Schraube markiert einen Meilenstein bei der Nutzung von Wasserkraft. Die Vorrichtung des gleichnamigen griechischen Physikers wurde eingesetzt, um Wasser auf ein höheres Niveau zu befördern und so beispielsweise Felder zu bewässern. Die ersten Wassermühlen wurden erst Jahrhunderte später, etwa 900 nach Christus erfunden. Bei der rudimentären Mühle wird das Wasserrad allein durch die Strömung des Wassers betrieben und die Rotation für das Mahlen von Getreide oder den Betrieb von Schleifsteinen benutzt. Über die kommenden Jahrhunderte wurden die Wasserräder stetig weiterentwickelt, wodurch sich ihr Wirkungsgrad weiter erhöhte. Das erste gusseiserne Wasserrad wurde in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts erfunden und war ein wichtiger Treiber für die industrielle Revolution. Das steigerte die Energieeffizienz bei der Nutzung von Wasserkraft weiter.
1842 machte die Technik einen weiteren Sprung, denn die ersten Vorläufer der Wasserturbinen wurden Benoît Fourneyron, einem französischen Ingenieur erfunden. Sie nutzten nicht nur die Fließkraft des Wassers um Energie zu erzeugen, sondern steigerten die Leistung der Anlagen durch eine verbesserte Nutzung der kinetischen Energie. Mit der Erfindung des elektrodynamischen Generators von Werner Siemens 1866 konnte Wasserkraft erstmals in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese Erfindung ist die Grundlage für die Erzeugung von Strom durch Wasserkraftwerke. Die ersten ihrer Art wurden in den folgenden Jahrzehnten zuerst in England und dann in den USA in Betrieb genommen. Das erste Großkraftwerk wurde 1895 an den Niagarafällen zur Stromerzeugung errichtet. Die Einweihung des ersten Kraftwerks auf deutschem Boden (Elektrizität-Werke Reichenhall) folgte 1890.
Die Elektrifizierung der Eisenbahn-Infrastruktur befeuerte den Ausbau von Wasserkraftwerken weiter, als Eisenbahngesellschaften begannen, Wasserkraft in Bergregionen zu nutzen und flächendeckend Wasserkraftwerke zu errichten.
Wasserkreislauf
Der Wasserkreislauf ist die natürliche (hydrologische) Grundlage für die Nutzung von Wasserkraft. Er tritt auf regionaler, aber auch globaler Ebene auf und sorgt dafür, dass Wasser stets in Bewegung ist. In dem mehrstufigen Kreislauf durchläuft Wasser seine verschiedenen Aggregatzustände – angetrieben von der Sonne. Diese erwärmt Wasser in den Gewässern (Seen, Meeren, etc.), wodurch es verdunstet. Der entstehende Wasserdampf steigt in die Atmosphäre auf, wo er abkühlt und kondensiert. Es entsteht Regen oder Schnee, der in bestimmten Regionen (oft in den Bergen) als Niederschlag wieder zu Boden geht. In der Folge werden Flüsse wieder mit Wasser angereichert und dieses gelangt zurück in Seen und Meere, wo sich der Kreislauf schließt.
Wasserkraftwerke
Wasserkraftwerke, auch Wasserkraftanlagen genannt, funktionieren immer nach einem ähnlichen Prinzip. Die potenzielle Energie des Wassers wird in mechanische oder mithilfe von Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Die Bewegungsenergie entsteht an Flüssen, Stauseen oder durch Strömungen und Gezeiten auf dem Meer.
In den meisten Fällen wird ein Wasserkraftwerk an einer Stauanlage installiert. Diese hält Wasser auf einer erhöhten Position zurück und leitet es beim Abfluss durch eine Turbine.
Es gibt zwei Hauptarten von Kraftwerken: Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke. Sie unterscheiden sich in der Fähigkeit, Wasser nach Bedarf aufzustauen. Laufwasserkraftwerke nutzen lediglich die durch eine Absperrbauwerk (Wehr) erzeugte Staustufe, während Speicherkraftwerke einen direkten Einfluss auf das angestaute Wasser nehmen können, indem sie das Volumen regulieren. Der Vorteil liegt darin, dass die Leistung des Speicherkraftwerks damit dem Bedarf an Energie angepasst werden kann. Als namensgebender Speicher fungiert bei diesen Kraftwerken in der Regel ein Stausee oder Staudamm.
Typen von Wasserkraftwerken
Grundlegend werden Wasserkraftwerke nach ihrem Nutzgefälle, also entsprechend dem Höhenunterschied hinter der Turbine und dem Wasserspiegel oberhalb der Turbine unterschieden. Neben dem Nutzgefälle gibt es weitere Unterteilungen entsprechend der Bauart der Anlage. Die Übergänge zwischen den Gefällestufen sind fließend.
Niederdruckkraftwerke
Dieser Kraftwerkstyp hat das kleinste Gefälle (etwa 15 Meter) aller Wasserkraftanlagen. Zu den Niederdruckkraftwerken zählen beispielsweise Flusskraftwerke und Gezeitenkraftwerke. Sie dienen zur Abdeckung der Grundlast des Stromnetzes.
Mitteldruckkraftwerke
Die Wasserkraftanlagen dieser Kategorie erzeugen Strom für die Abdeckung der Mittel- und Spitzenlast. Die Fallhöhe des Wassers liegt zwischen 25 und 250 Metern. Diese Art der Wasserkraftwerke kann mehrere Zwecke neben der Stromerzeugung erfüllen. Dazu zählen beispielsweise die Abflussregulierung des Gewässers, Hochwasserschutz oder die Trinkwasserversorgung. Die häufigsten Bauarten sind Flusskraftwerke und Speicherkraftwerke.
Hochdruckkraftwerke
Hochdruckkraftwerke nutzen zur Gewinnung von Energie das größte Gefälle. Die Nutzhöhe beträgt mindestens 250 Meter, was meistens in Gebirgsregionen mithilfe von Talsperren oder Staudämmen realisiert wird. Dieser Typ von Wasserkraftwerken wird für den Ausgleich von Spitzenlasten und die Versorgung bei hohen Bedarfen genutzt. Zu den häufigsten Bauarten gehören Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke.
Pumpspeicherkraftwerke
Pumpspeicherkraftwerke sind Speicherkraftwerke mit einer Zusatzfunktion. Sie können überschüssige Energie aus dem Stromnetz nutzen, um zusätzlich Wasser in das Speicherreservoir (beispielsweise den Stausee) zu pumpen. Bei Bedarf wird es dann entsprechend abgelassen und wieder zur Gewinnung von elektrischem Strom genutzt.
Vor- und Nachteile von Wasserkraft
Wasserkraft zählt zu den erneuerbaren Energien, deshalb werden bei der Erzeugung von Strom aus der kinetischen Energie von Wasser keine Emissionen in Form von CO2 oder anderer klimaschädlicher Gase freigesetzt. Damit ist Wasserkraft eine wichtige Säule, um Klimaneutralität zu erreichen. Hinzu kommt die Möglichkeit der Mehrzwecknutzung von Wasserkraftwerken, denn neben der Erzeugung von Strom können die Anlagen auch zur Regulierung von Pegelständen genutzt werden und somit dem Schutz vor Hochwasser dienen. Im Gegensatz zur Zeit- und Wetterabhängigkeit anderer Energieträger (beispielsweise von Solarthermie und Photovoltaik) ist die Energieerzeugung von Wasserkraftwerken verhältnismäßig unabhängig und kann nicht zuletzt wegen der Leistungsregulierung zur Versorgungssicherheit beitragen.
Zu den Nachteilen von Wasserkraftwerken können mögliche Umsiedelungsprozesse gezählt werden, die in Einzelfällen bei der Realisierung großer Anlagen möglich sind. Das Anstauen von Wasser verändert in den meisten Fällen auch die Wassermenge hinter dem Kraftwerk, was ökologische Beeinträchtigungen von Ökosystemen nach sich ziehen kann. Des Weiteren gibt es ein Risiko für Fischbestände, die durch Turbinen und Pumpen verletzt werden können.
Wasserkraftwerke von Vattenfall
Ein Großteil der gesamten Stromerzeugung wird bei Vattenfall durch Wasserkraft generiert. Wir besitzen und betreiben etwa 100 Wasserkraftwerke, die meisten davon in Schweden und einige aber auch in Finnland, Deutschland und den Niederlanden. In Kombination mit den erneuerbaren Energien Wind- und Solarenergie ist Wasserkraft eine Energiequelle mit Schlüsselfunktion, die Versorgungssicherheit schafft und die Energiewende vorantreibt.
