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Strom von einem Wasserkraftwerk

Wasserkraftwerke: Wie Wasserfluss in Energie umgewandelt wird

Sie gelten als eine der umweltfreundlichsten Technologien zur Energieerzeugung überhaupt und doch stehen sie im Schatten von Solar- und Windenergie. Wir erklären, wie ein Wasserkraftwerk funktioniert und welche Aussichten die Technologie hat.

Das Wasserkraftwerk dürfte die älteste Form von Ökostromerzeugung sein, die es überhaupt gibt. Der Mensch erkannte früh, dass Zugtiere deutlich stärker waren als er selbst.  Doch die Natur hat noch deutlich mehr Kräfte zu bieten. Irgendwann muss jemand bemerkt haben, dass das Wasser fließt und selber eine Kraft hat. Und diese Energie sollte man sich doch irgendwie zunutze machen können! So oder so ähnlich entstand wohl die Idee vom ersten Kraftwerk aus Wasser.

Bild: Das klassische Mühlenrad - CC0 Pomme68, pixabay
Bild: Das klassische Mühlenrad – CC0 Pomme68, pixabay

Das älteste, bekannte Wasserkraftwerk ist bereits 2600 Jahre alt

Der früheste Fund eines Wasserkraftwerkes wurde im 6. Jahrhundert vor Christus in Jordanien entdeckt. Dort wurden zwei sich gegenüberstehende Sägen zur Zerteilung von Steinen in berühmten Artemis Tempel benutzt. Angetrieben waren sie durch das Wasser eines Flusses, der im Wasser liegende, große Räder zum Mitdrehen brachte. Später waren es vor allem Wassermühlen zur Getreideverarbeitung. Diese fanden vor allem durch die Römer in Europa zur Verbreitung. Ein solches Rad in einem Bächlein dürfte also das erste kleine mit Wasser betriebene Kraftwerk bei uns gewesen sein.

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Ein Viertel des Stroms durch Wasserkraft

Heute werden 27 Prozent des weltweit erzeugten Stroms über Wasserkraftwerke produziert. Bei der weltweiten Leistung von immerhin 1.055 Gigawatt liegt China mit 280 Gigawatt an erster Stelle. Einige Länder decken mit Wasserkraft sogar den größten Teil ihres Energiehaushaltes, darunter sind Albanien, Kroatien und Österreich.

Deutschland liegt mit einem Anteil von 15 Prozent eher im unteren Mittelfeld, was die Frage des Anteils an allen Stromerzeugern im Vergleich zu Kohle-, Atom- oder Solarenergie angeht. Warum? Ein überwiegender Teil des Landes ist einfach zu flach, um durch ein solches Kraftwerk Strom zu erzeugen. Und für Wasserkraftwerke braucht es vor allem: Höhenunterschiede. Was uns zur folgenden Frage bringt.

Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk eigentlich?

Wie kann man aus Wasserkraft Strom erzeugen? Wer schon einmal eine Flaschenpost auf den Weg geschickt hat oder Treibholz beim Schwimmen beobachtete, wird sich sicherlich an die Kräfte eines fließenden Flusses erinnern können.

Die meisten von ihnen kommen aus dem Gebirge und fließen letztendlich ins Meer. Im Großen und Ganzen machen sich Wasserkraftwerke nichts anderes als die Schwerkraft zunutze, um daraus Energie zu gewinnen. Das Wasser fließt durch eine schmale Stelle, damit sich die Kraft dort konzentriert.

Francis Turbine eines Wasserkraftwerkes
Bild: Eine Francis Turbine in einem Wasserkraftwerk ist auf Höchstleistung eingestellt – CC BY-SA 3.0
Bild: Schema eines Wasserkraftwerkes ausgestattet mit einer Francis-Turbine , Wikimedia Gemeinfrei
Bild: Schema eines Wasserkraftwerkes ausgestattet mit einer Francis-Turbine – Wikimedia Gemeinfrei

Dort befindet sich eine Turbine, die wiederum einen Generator in Gang setzt. Der Physiklehrer würde sagen: Die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Wassers wird in den Turbinen in mechanische Energie umgewandelt. Die Turbine kann man sich dabei wie ein riesiges und etwas komplexeres Mühlenrad vorstellen. Der Druck des Wassers bringt sie zum Drehen. Moderne Turbinen wie die Francis Turbine sind über 100 Tonnen schwer und können sich bis zu 90 Umdrehungen pro Minute erreichen. Ziemlich viel, wenn man bedenkt wie groß und verdammt schwer das Teil ist! Schließlich wandelt der Generator das in elektrische Energie, also Strom, um.

Ein modernes Wasserkraftwerk hat dieses Prinzip perfektioniert. Dabei wird zwischen drei Arten von Wasserkraftwerken unterschieden. Es geht hier vor allem um den Druck, unter dem das Wasser gehalten wird, bevor es durch die Turbinen rast. Man unterscheidet zwischen einem Wasserkraftwerk mit Hochdruck, einem Wasserkraftwerk mit Mitteldruck und ja: einem mit Niederdruck.

 

Bild: Speicherkraftwerk Maltatal, Wikimedia CC BY-SA 3.0
Bild: Speicherkraftwerk Maltatal – Wikimedia CC BY-SA 3.0

Am Stausee: Das Speicherkraftwerk

In riesigen Staudämmen wird das Wasser gesammelt, um dann mit geballter Kraft eine Reihe von Riesenturbinen zu betreiben. In einem neuen Wasserkraftwerk in der Schweiz werden bald 900 Megawatt Leistung möglich sein. Das entspricht der eines großen Atomkraftwerks.

Der Vorteil bei dieser Bauweise: Der Strom ist praktisch auf Abruf verfügbar und schnell dosierbar. Die Schleusentore können fast jederzeit und auch kurzfristig geöffnet werden, wenn der Bedarf es verlangt. Zum Beispiel, wenn du mal wieder dein neues iPhone aufladen willst.

Eine leichte Abwandlung dieses Prinzips ist im Pumpspeicherkraftwerk zu finden. Dort wird das Wasser in der Regel auf eine größere Höhe, also oft wieder in einen Stausee zurückgepumpt. Auf diese Weise lassen sich große Mengen von Strom quasi speichern. Dies wäre ein Beispiel für ein Wasserkraftwerk mit Hochdruck.

Bild: Das Laufwasserkraftwerk Hengstey zwischen Herdecke und Hagen, CC BY-SA 3.0
Bild: Das Laufwasserkraftwerk Hengstey zwischen Herdecke und Hagen – CC BY-SA 3.0

Im Fluß: Das Laufkraftwerk

Der Bau eines Damms lässt sich nicht überall bewerkstelligen und doch ist die Energie gerade im Gebirge bei großen Fallhöhen ziemlich gewaltig. Diese wird durch eine Art Absperrung noch vergrößert, die das Wasser an einer Stelle anstaut und dann auf niedrigerer Höhe weiterfließen lässt.

Das sogenannte Wehr ist aber im Gegensatz zu einem Staudamm nicht dazu gedacht, das Wasser komplett zurückzuhalten. Ein solches Wasserkraftwerk funktioniert also mit Mitteldruck. Ein ähnliches Prinzip findet sich übrigens auch in der Schifffahrt: bei Schleusen, die Booten den Übergang zu verschiedenen Wasserhöhen behilflich sind.

Bild: Gezeitenkraftwerk Usine marémotrice de la Rance am französischen Fluß Rance zwischen Saint-Mailo und La Richardais , CC BY-SA 2.5
Bild: Gezeitenkraftwerk Usine marémotrice de la Rance am französischen Fluß Rance zwischen Saint-Mailo und La Richardais – CC BY-SA 2.5

Zwischen Ebbe und Flut: Das Gezeitenkraftwerk

Den geringsten Einfluss auf die Natur haben Gezeitenkraftwerke, da ein solches Kraftwerk sich ein natürliches Phänomen zunutze macht. Sonne und Mond wirken auf die Erde ein und erzeugen damit sogenannte Gezeiten, die sich bei uns in Bewegungen der Ozeane bemerkbar machen. So zieht sich das Wasser manchmal ein wenig zurück, wobei man von einer Ebbe spricht. Kommt das Wasser wieder zurück, heißt es Flut. Von diesen Bewegungsenergien profitiert wiederum das Gezeitenkraftwerk, das hier einfach Turbinen dazwischen geschaltet hat. Ein Kraftwerk mit Niederdruck.

Was alle Wasserkraftwerke vereint, ist ihre begrenzte Einsatzmöglichkeit. Die geografischen Gegebenheiten müssen schon zum jeweiligen Typ Kraftwerk passen. Schon beim Gezeitenkraftwerk wird dem aufmerksamen Leser deutlich: Das lässt sich nicht überall installieren. Genauso ist es bei den übrigen Wasserkraftwerken, die allesamt exklusiv in bergigen Regionen funktionieren.

Experten in der Schweiz, dem Land der Wasserkraft, gehen davon aus, dass die Möglichkeiten des Ausbaus im eigenen Land bereits fast ausgeschöpft sind. Bei einer jährlichen Produktionsmenge von 36 Terawattstunden in der Schweiz sind laut Robert Boes von der ETH Zürich nur noch 6 weitere Terawattstunden (TWh) drin. Mit Jürgen Buri von der Schweizer Energiestiftung gibt es einen Kritiker, der meint, dass nur noch 2,5 TWh zusätzlich möglich sind, wenn man dabei auch an die Umwelt denkt.

Immerhin sind für den Bau größerer Stauanlagen nicht nur gewaltige finanzielle Investitionen nötig, sondern auch Umbau in Gebirgen und Flusslandschaften. Oftmals handelt es sich dabei um sensible Ökosysteme. In einigen Fällen, wie in China, gab es sogar bereits spektakuläre Umsiedlungsprojekte von ganzen Ortschaften zur Errichtung neuer Stauanlagen. Die Beteuerungen der Projektleiter, Ökosysteme und Wohnflächen zu ersetzen, reichen Kritikern oft nicht aus.

Fest aber steht, dass die durch Wasserkraft erzeugte Energie CO2 -frei ist und damit einen großen Beitrag für das Ziel unserer Gesellschaft darstellt, den Klimawandel endlich zu bremsen. Zudem wäre ohne die Möglichkeit, Strom in so großen Mengen zu speichern und je nach unserem Bedarf wieder verfügbar zu machen, der heutige Energiemarkt gar nicht möglich. Und wie sagt man doch so schön “Das Wasser, das du nicht trinken kannst, lass fließen!”

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