Wasserkraft
Wasserkraft – bewährt und trotzdem aktuell
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- Ressource: Bewegungsenergie und Fallhöhe von Wasser
- Standorte: Gebirge, Mittelgebirge, Flüsse, Bäche
- Einsatzgebiete: Stromerzeugung, Energiespeicherung
- Leistungsbereich: Speicher- und Laufwasserkraftwerke bis 5000 MW, Kleinwasserkraftwerke bis 1 MW
- Stromkosten heute: Speicher- und Laufwasserkraftwerke 3 bis 8 Cent/kWh, Kleinwasserkraftwerke 10 bis 20 Cent/kWh
Wasserkraft wurde schon in vorindustrieller Zeit zum Antrieb von Mühlen, Säge- und Hammerwerken genutzt. Die kinetische und potenzielle Energie einer Wasserströmung wird über ein Turbinenrad in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, die zum Antrieb von Maschinen oder Generatoren genutzt werden kann. Heute wird mit Wasserkraft in Deutschland fast ausschließlich elektrischer Strom erzeugt.
Wasserkraft ist eine ausgereifte Technologie, mit der weltweit, an zweiter Stelle nach der traditionellen Nutzung von Biomasse, der größte Anteil an erneuerbarer Energie erzeugt wird. 18 % des global erzeugten Stroms stammen aus Wasserkraftwerken! Auch in Deutschland wird bislang der größte Anteil erneuerbarer Energien durch Wasserkraft bereitgestellt, die mit etwa 4 % an der Stromerzeugung beteiligt ist.
Die größten Potenziale zur Nutzung der Wasserkraft liegen in den südlichen Bundesländern, da hier der Voralpenraum für ein günstiges Gefälle sorgt. Ende 2000 waren in Deutschland etwa 5.500 Kleinwasserkraftanlagen (< 1 MW) in Betrieb, die 8 % des Wasserkraftstroms produzieren. Der Rest stammt aus mittleren und großen Anlagen. Nur 12 % der Anlagen sind im Besitz von Energieversorgungsunternehmen und erzeugen dennoch über 90 % des gesamten Stroms aus Wasserkraft.
Während die Nutzung des Wasserkraftpotenzials in großen Kraftwerken in Deutschland weitgehend ausgeschöpft ist, besteht noch ein Ausbaupotenzial für Kleinwasserkraftwerke, vor allem für die Reaktivierung und Modernisierung vorhandener Anlagen. Das bei geeigneter staatlicher Förderung in den nächsten Jahren erschließbare Potenzial an installierbarer Leistung wird in Deutschland auf etwa 500 bis 800 MW geschätzt. Dabei müssen alle Umweltanliegen ausgewogen berücksichtigt werden.
Für die Nutzung der Wasserkraft gibt es unterschiedliche Arten von Turbinen, die je nach Volumenstrom und Fallhöhe unterschiedliche optimale Einsatzbereiche haben.
Die Kaplanturbine funktioniert ähnlich wie eine Schiffsschraube, bei der die Achse vertikal gelagert ist. Die Laufradflügel und der Leitapparat sind verstellbar und können optimal an die Strömungsverhältnisse angepasst werden. Das Wasser strömt entlang der Achse durch das Laufrad. Eine Sonderform der Kaplanturbine ist die Rohrturbine, bei der die Drehachse horizontal gelagert ist. Kaplan- und Rohrturbinen werden bei geringen Fallhöhen und großen Volumenströmen eingesetzt.
Die konventionelle Francisturbine ist eine der ältesten Turbinenarten und wird nach wie vor hauptsächlich im Bereich der Kleinwasserkraftwerke angewendet. Typisch ist das schneckenförmige Gehäuse. Sie wird bei geringen Fallhöhen und mittleren Wassermengen eingesetzt. Bei dieser Turbine ist nur der Leitapparat verstellbar. Das Wasser strömt radial in das Laufrad hinein und verlässt es entlang der Drehachse. Sonderformen der Francisturbine können auch bei großen Fallhöhen und Volumenströmen eingesetzt werden.
Die Peltonturbine ist für große Fallhöhen und kleine Wassermengen geeignet. Das Wasser wird nach Durchlaufen einer Druckleitung mit hoher Geschwindigkeit über Düsen auf die Schaufeln der Turbine gespritzt.
Durchströmturbinen werden für kleine Fallhöhen und Wassermengen genutzt und hauptsächlich bei kleinen Leistungen eingesetzt. Das Wasser strömt tangential durch das Laufrad hindurch.
Speicherkraftwerke
Speicherkraftwerke nutzen das hohe Gefälle und die Speicherkapazität von Talsperren und Bergseen zur Stromerzeugung. Beim Talsperren-Kraftwerk werden üblicherweise Kaplan- oder Francisturbinen eingesetzt, die sich am Fuß der Staumauer befinden. Beim Bergspeicherkraftwerk wird ein in der Höhe liegender See über Druckrohrleitungen mit der im Tal liegenden Kraftwerksanlage verbunden. Wegen der in der Regel sehr großen Fallhöhe werden meistens Pelton-Turbinen eingesetzt. Speicherkraftwerke können sowohl zur Deckung der elektrischen Grundlast als auch im Spitzenlastbetrieb eingesetzt werden.
Pumpspeicherkraftwerke werden nicht durch natürliche Wasservorkommen, sondern durch aus dem Tal gepumptes Wasser aufgefüllt. Damit wird in Schwachlastzeiten erzeugter elektrischer Strom als potenzielle Energie des Wassers zwischengespeichert und kann in Spitzenlastzeiten wieder über eine Turbine abgerufen werden.
Laufwasserkraftwerke nutzen die Strömung eines Flusses oder Kanals zur Stromerzeugung. Charakteristisch ist eine niedrige Fallhöhe bei relativ großer, oft jahreszeitlich mehr oder weniger stark schwankender Wassermenge. Die Anlagen werden aus wirtschaftlichen Gründen oft in Verbindung mit Schleusen gebaut. Bei Laufwasserkraftwerken kommen hauptsächlich Kaplan-, Rohr-, und Durchströmturbinen zum Einsatz.
Kleinwasserkraftwerke
Neben der Modernisierung großer Laufwasserkraftwerke besteht ein gewisses Ausbaupotenzial bei Anlagen kleiner Leistung, insbesondere durch die Modernisierung und Reaktivierung bestehender Anlagen, die aufgrund des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) und z. T. durch Investitionszuschüsse wieder wirtschaftlich tragfähig werden. Dabei ist den Anliegen des Naturschutzes und der Gewässerökologie Rechnung zu tragen. Die Anlagen werden sowohl im Inselbetrieb als auch netzgekoppelt eingesetzt. Technisch handelt es sich hier ebenfalls um Speicher- oder Laufwasserkraftwerke, die aufgrund kleinerer Fallhöhen und Wassermengen aber nur geringere Leistungen liefern und bei denen ausschließlich Pelton-, Francis- oder Durchströmturbinen zum Einsatz kommen.
Neue Kleinwasserkraftanlagen zwischen 70 und 1.000 kW Leistung kosten zwischen 8.500 und 10.000 Euro pro Kilowatt installierter Leistung. Die Stromgestehungskosten liegen bei einer typischen Auslastung von 4.000 bis 5.000 Volllaststunden pro Jahr zwischen 10 und 20 Cent/kWh. Die Kosten von Wasserkraftanlagen sind stark von der installierten Leistung, von der Fallhöhe und von Zusatzkosten abhängig.
Ökologisch verträglicher Ausbau
Bei einem weiteren Ausbau der Wasserkraft sind neben dem Klimaschutz vor allem Aspekte des Natur- und Gewässerschutzes zu berücksichtigen. Wasserkraftanlagen stellen einen bedeutenden Eingriff in die Ökologie eines Gewässers dar. Vor der Genehmigung einer neuen Anlage sind daher strenge ökologische Voraussetzungen zu erfüllen. Reaktivierung und Modernisierung bestehender Anlagen bieten allerdings gute Voraussetzungen für eine möglichst geringe Veränderung des existierenden Ökosystems. Eine solche Modernisierungsstrategie verbindet höhere Stromerträge der bestehenden Kraftwerke mit einer Verbesserung der gewässerökologischen Voraussetzungen durch ökologische Gestaltungs- und Kompensationsmaßnahmen (z. B. Fischaufstiegshilfen) zum Nutzen sowohl des Klima- wie auch des Naturschutzes (siehe Erneuerbare Energien: Kapitel “Die ökologischen Qualitäten der erneuerbaren Energien”).