Wasserkraft / Wellenkraft / Gezeitenkraftwerke

Ratgeber zu ➡️ Wasserkraft

Wasserkraft ist eine Methode zur Energiegewinnung, bei der die kinetische Energie von fließendem oder fallendem Wasser in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Technologie nutzt meist Staudämme, um Wasser zu speichern und bei Bedarf durch Turbinen zu leiten, die Generatoren antreiben und Strom erzeugen. Wasserkraft ist eine erneuerbare Energiequelle, da sie kontinuierlich durch den Wasserkreislauf der Erde gespeist wird. 

Die Nutzung von Wasserkraft zur Energiegewinnung reicht bis in die Antike zurück, wo Wasserräder in Flüssen zur mechanischen Energiegewinnung für Mühlen eingesetzt wurden. Die moderne Nutzung begann im späten 19. Jahrhundert, mit dem Bau des ersten Wasserkraftwerks 1882 in Appleton, Wisconsin, USA. Seitdem hat sich Wasserkraft weltweit zu einer wichtigen Stromquelle entwickelt.

“Wasser ist die Kohle der Zukunft.“ - Jules Verne

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Wasserkraft in Deutschland

Rund 7.300 Wasserkraftanlagen gibt es zurzeit in Deutschland. Diese verfügen zusammen über eine installierte Leistung von etwa 5,6 GW. Dabei erbringen 6.900 Anlagen eine installierte Leistung von unter 1 MW und gelten als Kleinwasserkraftanlagen. Im Jahr 2023 wurden vier Prozent des in Deutschland erzeugten Bruttostroms aus Wasserkraft gewonnen – das entspricht 18,8 Terawattstunden Strom. 

Aufgrund der geographischen Unterschiede ist die Verteilung von Wasserkraftanlagen in Deutschland sehr unterschiedlich. Die meisten und leistungsstärksten Anlagen sind an großen Flüssen sowie in Mittel- und Hochgebirgslagen zu finden. Bayern und Baden-Württemberg sind die Bundesländer mit dem weitaus größten Vorkommen an Wasserkraftanlagen von 80%. Mit dem Rheinkraftwerk Iffezheim (146 MW Leistung) in der Nähe von Karlsruhe hat die EnBW das größte Laufwasserkraftwerk Deutschlands in ihrem Kraftwerkspark.

Einige der Wasserkraftwerke in Deutschland könnten durch lange Niedrigwasserphasen und häufigere Hochwasserereignisse zukünftig zu unzuverlässigen Stromversorgern werden. Von den rund 4.250 bestehenden Wasserkraftwerken in Bayern liegen mehr als die Hälfte an Flüssen mit geringer Wasserführung (<1m³/s).

Wasserkraftwerke international

Die Wasserkraft ist mit einem Anteil von 15 Prozent an der weltweiten Stromversorgung eine bedeutende erneuerbare Energiequelle. Weltweit belief sich die Erzeugung von Strom aus Wasserkraft im Jahr 2023 auf rund 4.240 Terawattstunden. Die Erzeugung ist auf Grundlage der Bruttoerzeugung und ohne Berücksichtigung der grenzüberschreitenden Stromlieferungen angegeben. Im globalen Vergleich zählen China, Kanada, Brasilien, USA, Russland und Indien zu den größten Erzeugern von Strom aus Wasserkraft.

Platz 1 der größten Wasserwerke der Welt: Drei-Schluchten-Talsperre, China (22,50 GW). Die ultimative Stauanlage mit einem Wasserkraftwerk, einem Schiffshebewerk sowie einer Doppel-Schleusenanlage liegt in der chinesischen Provinz Hubei und wird vom Jangtsekiang gespeist.

Norwegen deckt mit 1600 Wasserkraftwerken fast seinen gesamten Strombedarf!

Wasserkraftwerke allgemein

Ein Wasserkraftwerk funktioniert, indem es die kinetische Energie von fließendem Wasser in mechanische Energie umwandelt, die dann durch Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Prozess umfasst mehrere Schritte:

1. Wasserspeicherung: Wasser wird in einem Reservoir hinter einem Staudamm gespeichert.
2. Wasserfreisetzung: Bei Bedarf wird das Wasser durch Schleusen oder Rohre freigesetzt und fließt durch Turbinen.
3. Turbinenantrieb: Das fließende Wasser treibt die Turbinen an, deren mechanische Bewegung einen Generator antreibt.
4. Stromerzeugung: Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um, die ins Stromnetz eingespeist wird.

Arten von Wasserkraftwerken:

1. Speicherkraftwerke: Nutzen einen Staudamm, um Wasser zu speichern und bei Bedarf durch Turbinen zu leiten. Sie sind flexibel einsetzbar und können schnell auf Strombedarf reagieren.
2. Laufwasserkraftwerke: Nutzen die natürliche Kraft eines Flusses. Sie liefern konstant Strom, sind aber weniger flexibel.
3. Pumpspeicherkraftwerke: Funktionieren wie riesige Batterien. Bei niedrigem Strombedarf pumpen sie Wasser in ein höher gelegenes Reservoir. Bei hohem Bedarf wird das Wasser abgelassen, um Strom zu erzeugen.
4. Gezeitenkraftwerke: Nutzen die Energie der Gezeitenbewegung des Meeres. Wasser fließt bei Ebbe und Flut durch Turbinen und erzeugt so Strom.
5. Wellenkraftwerke: Nutzt die Energie von Meereswellen, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen.

Vorteile von Wasserkraftwerken:

1. Erneuerbare Energiequelle: Wasserkraft nutzt die natürliche Wasserzirkulation, die durch Sonneneinstrahlung und Gravitation angetrieben wird, und stellt somit eine nachhaltige Energiequelle dar.
2. Geringe Betriebskosten: Nach dem Bau eines Wasserkraftwerks sind die Betriebskosten im Vergleich zu fossilen Kraftwerken relativ niedrig.
3. Zuverlässigkeit: Wasserkraftwerke können eine kontinuierliche und zuverlässige Stromversorgung gewährleisten, insbesondere im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie, die von Wetterbedingungen abhängig sind.
4. Hohe Wirkungsgrade: Wasserkraftwerke haben einen hohen Wirkungsgrad (bis zu 90%), was sie sehr effizient macht.
5. Speicherkapazität und Netzstabilität: Durch Stauseen können Wasserkraftwerke Wasser speichern und bei Bedarf ablassen, was zur Stabilität des Stromnetzes beiträgt und Spitzenlasten ausgleichen kann.
6. Reduzierung von Treibhausgasen: Im Betrieb verursachen Wasserkraftwerke keine CO2-Emissionen, was zur Reduzierung des Treibhauseffekts beiträgt.
7. Vielfältige Nutzungsmöglichkeiten: Stauseen bieten zusätzliche Vorteile wie Bewässerung, Hochwasserschutz, Wasserversorgung und Freizeitmöglichkeiten.

Nachteile von Wasserkraftwerken:

1. Hohe Baukosten: Der Bau von Wasserkraftwerken, insbesondere großen Staudämmen, ist sehr kostenintensiv und zeitaufwendig.
2. Umweltauswirkungen: Der Bau von Staudämmen und die Schaffung von Stauseen können zu erheblichen ökologischen Veränderungen führen, einschließlich der Zerstörung von Lebensräumen, der Veränderung von Flussökosystemen und der Beeinträchtigung der Wanderung von Fischen.
3. Soziale Auswirkungen: Der Bau großer Wasserkraftwerke kann zu Umsiedlungen von Menschen führen und lokale Gemeinschaften beeinträchtigen.
4. Methanemissionen: In tropischen Regionen können Stauseen durch die Zersetzung organischen Materials Methan freisetzen, ein starkes Treibhausgas.
5. Abhängigkeit von Wasserverfügbarkeit: Wasserkraftwerke sind von ausreichender Wasserverfügbarkeit abhängig. Dürreperioden oder klimatische Veränderungen können die Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
6. Geologische Risiken: Große Staudämme können das Risiko von Erdbeben und Erdrutschen erhöhen, insbesondere in seismisch aktiven Gebieten.

7. Langfristige Auswirkungen: Sedimentablagerungen in Stauseen können die Speicherkapazität und die Effizienz des Wasserkraftwerks im Laufe der Zeit verringern.

    

Wellenkraftwerke allgemein

Die Funktionsweise eines Wellenkraftwerks beruht auf der Umwandlung der Energie, die in den Wellen des Meeres steckt, in nutzbare elektrische Energie. Es gibt verschiedene Arten von Wellenkraftwerken, die auf unterschiedlichen Technologien basieren. 

Funktionsweise eines Wellenkraftwerks:

1. Erfassung der Wellenenergie: Die Energie der Meereswellen wird durch eine Struktur erfasst, die in der Lage ist, die Bewegung der Wellen aufzunehmen. Diese Struktur kann an der Oberfläche oder unter Wasser platziert werden.
2. Umwandlung der Bewegung: Die aufgenommene Bewegungsenergie wird in eine mechanische Bewegung umgewandelt, die einen Generator antreibt.
3. Erzeugung von Elektrizität: Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um, die dann ins Stromnetz eingespeist wird.

Arten von Wellenkraftwerken:

1. Punktabsorber: Diese Geräte sind Bojen oder Plattformen, die sich vertikal auf und ab bewegen. Die Bewegung wird genutzt, um einen Kolben oder eine Turbine anzutreiben, die dann Elektrizität erzeugt.
2. Oszillierende Wassersäule (OWC): Diese Systeme nutzen eine Kammer, die teilweise mit Wasser gefüllt ist. Die Wellenbewegung drückt die Luft in der Kammer durch eine Turbine, die an einen Generator gekoppelt ist. Wenn die Welle zurückgeht, wird Luft durch die Turbine in die Kammer zurückgesogen, was ebenfalls Energie erzeugt.
3. Überlaufgeräte: Diese Strukturen bestehen aus schrägen Ebenen oder Rampen, die die Wellenenergie nutzen, um Wasser in ein höher gelegenes Reservoir zu leiten. Das Wasser wird dann durch Turbinen abgelassen, ähnlich wie in einem Wasserkraftwerk.
4. Schwimmende Scharniersysteme: Diese Geräte bestehen aus mehreren miteinander verbundenen schwimmenden Segmenten, die sich durch die Wellenbewegung gegeneinander bewegen. Diese Bewegung wird in mechanische Energie umgewandelt und treibt einen Generator an.
5. Oscillating Wave Surge Converter (OWSC): Diese Systeme bestehen aus großen Platten, die sich mit der Bewegung der Wellen hin und her bewegen. Diese Bewegungen werden genutzt, um hydraulische Pumpen oder andere Mechanismen anzutreiben, die Strom erzeugen.

Vorteile von Wellenkraftwerken:

• Erneuerbare Energiequelle: Wellenkraftwerke nutzen die unerschöpfliche Energie der Meereswellen.
• Umweltfreundlich: Sie haben im Allgemeinen einen geringen CO2-Ausstoß und geringe Umweltauswirkungen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen.
• Vorhersagbare Energieproduktion: Wellenbewegungen und Gezeiten sind relativ gut vorhersagbar im Vergleich zu Wind und Solarenergie.

Nachteile von Wellenkraftwerken:

• Hohe Kosten: Die Installation und Wartung von Wellenkraftwerken kann teuer sein.
• Technische Herausforderungen: Die Geräte müssen extremen Wetterbedingungen und der korrosiven Meeresumgebung standhalten.

• Begrenzte Standorte: Geeignete Standorte für Wellenkraftwerke sind oft auf bestimmte Küstenregionen beschränkt.

   

Die Zukunft der Wasserkraft

Im Jahr 2022 wurden in Deutschland insgesamt 582,6 Milliarden Kilowattstunden Strom erzeugt. Davon stammten nur 4 % des in Deutschland erzeugten Bruttostroms aus Wasserkraft. Trotzdem bleibt Wasserkraft eine wichtige Quelle für saubere Energie, insbesondere in Regionen mit geeigneten geografischen Bedingungen.

Um die Klimaschutzziele zu erreichen, müssen die Erneuerbaren Energien und Speichertechniken wesentlich stärker ausgebaut werden als bisher. Dies erfordert Investitionen in moderne Technologien, die Effizienzsteigerung bestehender Anlagen und die Entwicklung neuer Projekte. Gleichzeitig sollten Umwelt- und Naturschutzaspekte berücksichtigt werden, um nachhaltige Lösungen zu gewährleisten. Wasserkraft kann somit einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende und zur Reduzierung der CO₂-Emissionen leisten.

Autorin: Jasmin, 18.07.24 - Artikel lizenziert unter CC BY-NC-ND 4.0

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