Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Jeder ist wohl schon einmal an einem Wasserkraftwerk vorbei gekommen. Die riesigen Bauwerke sind imposant, verraten jedoch von außen nicht wirklich, wie sie funktionieren. Was man jedoch sehen kann, ist, dass es unterschiedliche Wasserkraftwerke gibt. Doch wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Hier erfährst Du alles, was du zum Grundverständnis für die Energiegewinnung mit Wasser benötigst.

Dobra Staumauer - Wasserkraftwerk
Dobra Staumauer – Speicherkraftwerk (Urheber: Ulrichulrich /Lizenz: CC BY 3.0)

Wasserkraft mit Hilfe der Sonne

Die Sonne ist der eigentliche Motor, der den natürlichen Wasserkreislauf antreibt. Durch ihre Energie wird Wasser auf der ganzen Welt verdunstet. Dieses steigt aus den Meeren in die Atmosphäre auf. Dort schließen sich die winzig kleinen Wassertropfen zu Wolkengebilden zusammen und fallen als Niederschlag wieder auf die Erde zurück.

Wieder zurück, sucht sich das Wasser wieder einen Weg zu den Meeren und der Wasserkreislauf beginnt von vorne. Hierfür legt das Wasser oft große Höhenunterschiede zurück. In Wasserkraftwerken kann der Mensch die potenzielle (Lageenergie) sowie die kinetische Energie (Bewegungsenergie) mit Hilfe von Turbinen in elektrische Energie umwandeln.

Welche Arten von Turbinen gibt es?

Anhand der Durchflussmenge wird die Leistung von einem Wasserkraftwerk bestimmt. Hierbei unterscheidet man grundsätzlich drei Typen – die Hoch-, Mittel- und Niederdruckkraftwerke. Hochdruckkraftwerke (Speicher- bzw. Pumpspeicherkraftwerke) haben eine geringe Durchflussmenge, aber große Fallhöhe des Wassers. Bei Niederdruckkraftwerken (Laufwasserkraftwerke) ist es genau anders herum. Die Übergänge der verschiedenen Kraftwerktypen sind fließend.

Die verwendeten Turbinen werden folgendermaßen eingeordnet:

  • Gleichdruckturbinen (Durchströmturbine, Pelton-Turbine)
    Hier wird die potenzielle Energie des Wassers ohne eine Druckänderung in einer oder mehreren Düsen vollständig in Geschwindigkeit umgewandelt.
  • Überdruckturbinen (Kaplan-Turbine, Francis-Turbine)
    Vom Eintritt zum Austritt hin nimmt hier der Wasserdruck stetig ab. Das Leitrad der Turbinen dient als Regel- und Absperrorgan gleichzeitig. Somit kann der Wirkungsgrad verändert oder das Wasserkraftwerk abgeschaltet werden.

Laufwasserkraftwerke

Laufwasserkraftwerke befinden sich an Flüssen. Sie besitzen Fallhöhen von unter 15m und sind für große Wassermassen ausgelegt. Laufwasserkraftwerke erzeugen Strom für den Grundlastbereich und sind damit ein wichtiger Bestandteil für die Energiewende in Deutschland. Dieser ist jedoch jahreszeitlichen Schwankungen ausgesetzt.

Laufwasserkraftwerke bestehen aus:

  • Oberwasser mit Wehr – hier wird das Wasser leicht aufgestaut
  • Kraftwerk
    • Generator
    • Turbine
  • Unterwasser – hier wird das Wasser dem Fluss wieder übergeben
  • Transformator mit Anschluss an das Stromnetz

Neben der Energieerzeugung dienen die Laufwasserkraftwerke oft auch als Hochwasserschutz und bieten Schiffen (Schleuse) und Fischen (Fischtreppe) die Möglichkeit, Höhenunterschiede in Flüssen zu überwinden.

Speicherkraftwerke

Speicherkraftwerke sind vor allem in Mittelgebirgen und Gebirgen zu finden. Ihre hauptsächliche Nutzung ist die Energieerzeugung im Spitzenlastbereich. Hierfür wird das zur Stromgewinnung benötigte Wasser in einem Speichersee bereitgestellt bzw. gestaut.

Häufig sind Speicherkraftwerke als Talsperren ausgelegt. Das Kraftwerk mit Turbine und Generator befindet sich dabei am Fuße der Staumauer. Wasser wird durch Fallrohre auf Kaplan- oder Francis-Turbinen geleitet, die potenzielle Energie über Generatoren in elektrische Energie wandeln.

Bei Bergspeichern wird das Schmelzwasser weit oben auf dem Berg gestaut. Die Fallhöhe kann dabei über 1000m betragen. Wasser wird durch Druckrohre zum Maschinenhaus ins Tal geleitet. Auch hier befindet sich wieder das eigentliche Wasserkraftwerk mit Turbine und Generator. Bei sehr hohen Fallhöhen werden meistens Pelton-Turbinen eingesetzt.

Wird kein oder nur wenig Strom gebraucht, kann das Speicherkraftwerk entsprechend geregelt oder sogar geschlossen werden.

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke nutzen überschüssige Energie dafür, Wasser in Zeiten von geringem Verbrauch in hoch gelegene Speicherbecken zu pumpen. Auch das Pumpspeicherkraftwerk liefert nur Strom, wenn Bedarf da ist.

Entsprechend der Fallhöhe, werden Francis- oder Pelton-Turbinen zur Energiegewinnung verwendet. Die Francis-Turbinen dienen gleichzeitig auch zum Pumpen des Wassers.

Vorteile eines Wasserkraftwerks

  • Wasserkraftwerke sind erneuerbare Energien
  • während des Betriebs wird kein CO2 und auch keine anderen schädlichen Abfallprodukte produziert
  • Wasser steht immer zur Verfügung
  • kontinuierlichere Stromerzeugung als bei anderen erneuerbaren Energien (Windkraft oder Photovoltaik)
  • Wasser kann gespeichert werden (Talsperre, Bergspeicher)
  • Laufwasserkraftwerke dienen dem Hochwasserschutz und säubern die Flüsse von Unrat
  • Auch Speicherkraftwerke dienen dem Schutz vor Überflutung

Nachteile

  • Eingriff in die Natur
    • Fischsterben durch die Turbinen
    • Gebiete werden geflutet, damit man das Wasser stauen kann
    • teilweise enorme Eingriffe in den Grundwasserhaushalt
    • Treibgut stellt Lebensraum für viele Tiere und Pflanzen dar – dieser wird durch die Wasserkraftwerke beseitigt
    • durch die Überflutung von vegetiertem Gebiet entstehen klimaschädliche Faulgase
    • durch den Schwallbetrieb (ungleichmäßiges Ablassen des Wassers) entstehen ökologische Auswirkungen
  • Bewohner werden umgesiedelt (werden teilweise gezwungen)

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