Entstehung / Erfindung / Vorgeschichte
Ein Wasserkraftwerk erzeugt Strom, indem es die kinetische Energie des Wassers nutzt. Dabei arbeitet es nach dem gleichen Prinzip wie eine Wassermühle, die man ja bereits seit Hunderten von Jahren für, Schmiedehämmer und dergleichen einsetzt.
Funktionsprinzip / Technik
Damit Bewegungsenergie zustande kommt, muss das Wasser fließen. Im einfachsten Fall wäre das Wasserkraftwerk an einen Fluss installiert oder nutzt die Bewegung des Wassers beim Wechsel der Gezeiten. In Wellenkraftwerken wird die Bewegungsenergie der Meereswellen ausgenutzt.
Bei Laufwasserkraftwerken wird ein Fließgewässer gestaut und mit dem abfließenden Wasser elektrischer Strom produziert. Das Wasser, das auf möglichst hohem Niveau gespeichert wurde, lässt man gezielt ablaufen zu lassen und damit eine Wasserturbine oder ein Wasserrad anzutreiben, das seinerseits einen Generator in Drehung versetzt, der dann den Strom erzeugt. Für diese Speicherkraftwerke wird das Wasser über Stunden oder auch Tage und Wochen gespeichert, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen. Kavernenkraftwerke nennt man die Anlagen, bei denen künstlich geschaffene Hohlräume (Kavernen) als Energiespeicher verwendet werden.
Pumpspeicherkraftwerke arbeiten nach dem Prinzip, dass mit zu viel erzeugtem Strom Wasser von einem niedrigen Niveau in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird, wo das Wasser gespeichert wird, um später Spitzenstrom zu erzeugen.
Je nach Bauart des Wasserkraftwerks sind Talsperre, Staudamm und Staustufe, Einlaufschütz, Treibgutrechen, Umspannwerk sowie Rohrleitungen zum Maschinenhaus wichtige Komponenten.
Die Baugrößen dieser Anlagen liegen zwischen wenigen kW und einigen tausend MW, wie zum Beispiel der Drei-Schluchten-Damm am Jangtsekiang in China.
Der Wirkungsgrad von Wasserkraftwerken beträgt bis zu 90 %.
Da die Leistung neben dem Wirkungsgrad der Turbine, des Generator und der anderen Anlagenteile auch vom Wasserdurchfluss und der Fallhöhe des Wassers abhängig ist, unterscheidet man u.a. nach dem Nutzgefälle. Das ist definiert als der Höhenunterschied zwischen dem Oberwasser, das ist der Wasserspiegel oberhalb der Turbine und dem Unterwasser, dem Wasserspiegel hinter der Turbine.
So spricht man bei einer Fallhöhe unter 15 m, wie es bei Fluss- oder Gezeitenkraftwerken der Fall ist, von Niederdruckkraftwerken. Der Durchfluss durch die Durchströmturbine ist bei diesem Anlagentyp, der zur Abdeckung der Grundlast eingesetzt wird, groß. Ihre Auslastung beträgt über 50 %.
Mitteldruckkraftwerke mit ihrer Fallhöhe von 15 bis 50 m und einer Auslastung von 30 bis 50 % werden eingesetzt, um Grund- und Mittellasten abzudecken. Diese Fluss- und Speicherkraftwerke arbeiten mit mittlerem bis großem Durchfluss.
Zur Abdeckung der Spitzenlast werden Speicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke und Kavernenkraftwerke mit einer Fallhöhe von 50 bis 2000 m, jedoch geringem Durchfluss eingesetzt. Sie erreichen jedoch nur eine Auslastung von rund 30 %.
aktuelle Anwendungsbeispiele
Am Ende des Hengsteysees an der Stadtgrenze zwischen Herdecke und Hagen in Nordrhein-Westfalen steht ein von der RWE betriebenes Laufwasserkraftwerk, das die Wasserkraft der Ruhr nutzt. In den 1920er Jahren wurde es in Kombination mit einem Walzen-Stauwehr, das das Ruhrwasser zum Hengsteysee aufstaute, errichtet. Mit dem so gewonnenem Höhenunterschied von rund 4,6 m erzeugt das Kraftwerk eine Jahresleistung von etwa 11 Millionen kWh.
Das Wasserkraftwerk Mühleberg im Kanton Bern in der Schweiz entstand zwischen 1917 und 1920, als die Nachfrage nach Strom stieg. Es staut über 12 km das Flüsschen Aare zum Wohlensee bis hin zur Stadt Bern und erzeugt mit seinen ca. 20 m Gefälle 45 MW. Der idyllisch gelegene See bildet mit den umliegenden Wäldern das Naherholungsgebiet für die Berner. Auch das Maschinenhaus und das Schaltgebäude des Kraftwerks fügen sich in die Landschaft ein: Sie zählen zu den schönsten Industriebauten vom Anfang des letzten Jahrhunderts. Das komplette Wehr wurde bis 2006 vollständig erneuert.
Das ebenfalls in der Schweiz gelegene Laufwasserkraftwerk Kallnach wurde in den Jahren 1909 bis 1913 errichtet, das von den Bernischen Kraftwerken betrieben wird. Das Wasser fließt durch einen 2100 m langen Stollen von der Aare bei Niederried. Die nutzbare Höhendifferenz von 22 m ermöglicht eine mittlere Jahresstromproduktion von 51 Gwh.
Noch einmal ins idyllische Sauerland nach Nordrheinwestfalen: An der Lenne in Plettenberg steht das von der Mark-E betriebene Laufwasserkraftwerk Siesel. Bereits 1898 wurde es in Betrieb genommen. Die drei Francis-Turbinen stammen noch aus dem Jahre 1921 und leisten jeweils 600 kW. Sie sind in einem liebevoll restaurierten Maschinenhaus untergebracht und lohnen allein schon eine Besichtigung.
Nutzung / Erzeugung Zahlen
Knapp 18 % der elektrischen Energie wird weltweit mit Wasserkraftwerken erzeugt. Norwegen steht dabei mit fast 100 % an der Spitze, gefolgt von Brasilien, das rund 80 % seiner gesamten Elektrizität aus der Wasserkraft schöpft. In Österreich hat der durch Wasserkraft erzeugte Strom immerhin noch einen Anteil von 55 %, in Deutschland liegt er bei 5 %.
Der Strom aus diesen vorwiegend in Mittel- und Hochgebirgen oder an großen Flüssen errichteten Kraftwerken ist anfangs teurer als in leistungsgleichen Kraftwerken anderer Technologie, denn die Investitionen für die Anlage sind sehr hoch. Daher werden Wasserkraftwerke stets für eine hohe Lebensdauer ausgelegt, denn nachdem sich die Anlage amortisiert hat, profitiert der Betreiber von der kostenlosen und unendlich verfügbaren Primärenergie – der Wasserkraft.
Vorteile / Nachteile
Die Vorteile der Wasserkaft sind, dass sie sich aus erneuerbarer Energie schöpft und das ohne jegliche Schadstoffemissionen durch Verbrennen von fossilen Brennstoffen. Quasi ein Nebeneffekt der Wasserkraftwerke sind die bessere Schiffbarkeit der Flüsse und Hochwasserschutz, bzw. Regulierung der Bewässerung durch die Speicherung des Wassers in wasserreichen Zeiten.
Aber der Eingriff in die Natur ist gewaltig. Funktionierende ökologische Systeme werden zerrissen, natürliche Flussläufe mitsamt ihrer Flora und Fauna unwiderruflich zerstört. Stauseen, die vor ihrer Flutung nicht von der Vegetation befreit wurden, gasen zudem in erheblichem Maße Methan aus. Bei den nicht durchgängig betriebene Speicherkraftwerken kann es zur gefürchteten Schwallwasserbildung durch das plötzlich Ablassen des Oberwassers kommen.
Der Landschaftsverbrauch, der beim anlegen von Stauseen unumgänglich ist, führt zudem oft zu Konflikten mit den Anwohnern, die umgesiedelt werden und darum Haus und Hof verlassen müssen. Nicht selten werden ganze Dörfer oder kleine Städte mitsamt ihrer Kirchen und sonstiger Kulturgüter überflutet. Auch die Gefahr von katastrophalen Überflutungen beim Bruch einer Staumauer – sei es durch Erdbeben, Materialermüdung oder Fremdeinwirkung – ist nicht zu unterschätzen.
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