Wasserkraft: Was ist das und wie funktioniert sie?

Wasserkraft ist vielleicht eine der sichtbarsten erneuerbaren Energiequellen; ihre Funktionsweise und ihre Rolle bei der Energiespeicherung sind ebenso interessant wie unbekannt.

Zeitgleich mit großen griechischen Philosophen wie Platon und Aristoteles und als grundlegendes Instrument für den Aufstieg des Römischen Reiches, ist Wasserkraft seit Jahrtausenden von großem Nutzen für die Menschheit. Doch erst mit dem Aufkommen der industriellen Revolution und der Elektrizität erlebte die Wasserkraft einen entscheidenden Aufschwung und wurde zum Schlüssel für die Entwicklung der Gesellschaften des 19. und 20. Jahrhunderts. Heute werfen wir einen Blick in die Vergangenheit und die Zukunft dieser erneuerbaren Energieform und betrachten ihre Funktionsweise. Begleiten Sie uns auf dieser Reise durch die Kraft des Wassers und entdecken Sie, wie Wasserkraft funktioniert?

Die Beherrschung der Naturkräfte und ihre Nutzung zu unserem Vorteil zählt zu den größten Bestrebungen der Menschheit. So haben Generationen von Menschen ihre Umwelt verändert, um in erster Linie ihr Überleben zu sichern und in zweiter Linie ihre Lebensqualität zu verbessern. Die großen Zivilisationen der Antike gestalteten ihre Welt, um natürliche Ressourcen zu ihrem Vorteil zu nutzen und dank ihnen zu wachsen. Die Kraft des Wassers, eines der grundlegenden Elemente unseres Planeten, ist dabei nicht unbedeutend; sie spielt vielmehr eine zentrale Rolle. Das griechische Wasserrad, die römische Mühle oder die ägyptische Wasserhebeanlage (Sāqiyah) sind nur einige Beispiele dafür, wie grundlegend hydraulische Energie für Aufgaben wie das Pumpen von Wasser oder das Mahlen von Getreide war. Obwohl ihre Bedeutung schon damals groß war, wurde sie mit dem technologischen und wissenschaftlichen Aufschwung der industriellen Revolution im 19. Jahrhundert entscheidend, als Elektrizität zum Rückgrat der Stadtentwicklung und damit der Wirtschaft der Industrieländer wurde. Damals entstand die Wasserkraft, wie wir sie heute kennen.

Angetrieben durch die Entwicklung elektrischer Generatoren und die zunehmende Leistungsfähigkeit von Turbinen, entstanden in den Industrieländern immer mehr Wasserkraftwerke. Begriffe wie Staudamm und Stausee hielten Einzug in den allgemeinen Sprachgebrauch, und in Europa und Amerika wurden in rasantem Tempo Pläne für den Bau großer Wasserbauprojekte entwickelt, um den steigenden Strombedarf zu decken. Dies veränderte die Landschaft unserer natürlichen Umwelt grundlegend. Zu diesem Zeitpunkt stammte bereits ein sehr großer Teil der gesamten elektrischen Energie aus der Nutzung der Wasserkraft.

Koexistenz mitandere Arten der erneuerbaren Energieerzeugung wie Wind- und Solarenergie, WasserkraftWasserkraft ist bis heute von grundlegender Bedeutung. Nicht umsonst wird fast ein Viertel des weltweiten Stroms durch sie erzeugt, wobei dieser Anteil in Ländern wie Norwegen (99 %), der Demokratischen Republik Kongo (97 %), Brasilien (96 %) oder Kanada (60 %) deutlich höher liegt. Ein Beispiel für die große Bedeutung dieser Technologie sind einige der bedeutendsten Bauwerke unserer Zeit, die Wasserkraftwerke sind, wie der Drei-Schluchten-Damm (China, 22.500 MW) oder der Itaipu-Damm (Brasilien und Paraguay, 14.000 MW). Aber wissen wir eigentlich, wie Wasserkraft funktioniert?

Wie funktioniert Wasserkraft?

Betrachten wir ein mehr oder weniger typisches Wasserkraftwerk. Jedes Kraftwerk dieser Art besteht für seinen Betrieb aus mehreren Hauptelementen. Schauen wir sie uns nacheinander an:

• • Staudamm: Hierbei handelt es sich um ein Bauwerk, hauptsächlich aus Beton, das die Wassermenge im Stausee aufrechterhält, die dem Kraftwerksbetreiber zur Verfügung steht. Einige der beeindruckendsten Staudämme erhöhen den Wasserfall um Hunderte von Metern.

• • Reservoir: Dies ist die Wasserspeicheranlage, in der die Anlage untergebracht ist und die den Zufluss sammelt.

• • Schleusentore: Dies sind die beweglichen Elemente, die sich öffnen und schließen, um den Wasserdurchfluss zu ermöglichen.

• • Druckrohrleitung: Eine Rohrleitung, durch die Wasser auf seinem Weg zur Stromerzeugung transportiert wird.

• • Turbinen: Dies sind die Motoren, die vom Wasser beim Durchfließen angetrieben werden und so mechanische Energie erzeugen.

• • Elektrische Generatoren: Dies sind die Elemente, die für die Umwandlung der mechanischen Energie der Turbinen in elektrische Energie verantwortlich sind.

• • Stromleitung: Sie transportiert den neu erzeugten Strom zu den verschiedenen Verbrauchsstellen.

• • Saugrohr: Dies ist der Auslass für den gesamten hydraulischen Durchfluss, der während des Stromerzeugungsprozesses verwendet wird.

Kurz gesagt, nutzen Wasserkraftwerke die Kraft des Wassers, das zwischen zwei unterschiedlich hohen Punkten herabstürzt, um Strom zu erzeugen. Anders ausgedrückt: Die gesamte Anlage basiert darauf, die Schwerkraft und die Masse des Wassers für eine Reihe von mechanischen Elementen zu nutzen, die dieses Energiepotenzial absorbieren und anschließend in elektrische Energie umwandeln.

Auf diese Weise zirkuliert das im Stausee zurückgehaltene Wasser innerhalb der hydraulischen Kreisläufe des Damms und überbrückt den Höhenunterschied zwischen zwei Punkten. Dieser künstliche Wasserfall, der natürliche Wasserfälle nachahmt, verleiht dem Wasser durch die Schwerkraft eine Geschwindigkeit, die als kinetische Energie auf die Turbinen am tiefer gelegenen Punkt des Bauwerks übertragen wird. Das Wasser durchströmt die Turbine, beschleunigt deren Rotation und erzeugt so mechanische Energie, die an den Generator zur Umwandlung in elektrische Energie weitergeleitet wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Wasser die Anlage verlässt und in den Unterlauf des Flusses abgeleitet wird, ohne die Umwelt zu belasten. Dieser gesamte Prozess zeichnet sich zudem durch einen hervorragenden Wirkungsgrad aus: Rund 90 % der potenziellen Energie des Wassers werden zur Stromerzeugung genutzt. Lediglich beim Beladen des Wasserkreislaufs und im Reibungsprozess der Wasserkraftanlage (Turbinen) entstehen Wirkungsgradverluste.

Auf diese Weise können wir 100 % erneuerbaren Strom gewinnen, der aufgrund seiner hohen Nachhaltigkeit und Wiederverwendbarkeit zu den positivsten Energieformen zählt und dazu beiträgt, den Ausstoß von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu reduzieren. Darüber hinaus kann das im Prozess verwendete Wasser für den Hausgebrauch oder zur Bewässerung genutzt werden. Diese Technologie, die eine lange Lebensdauer aufweist, ist auch für die Regulierung von Flüssen und den Hochwasserschutz von besonderem Interesse; ein wesentlicher Grund für den Bau des Drei-Schluchten-Staudamms in China, dessen Zweck neben der Energiegewinnung auch die Verhinderung einer Flutkatastrophe wie der von 1931 ist, die Millionen von Menschenleben forderte.

Welche Arten von Wasserkraftwerken gibt es?

Aufgrund ihrer Funktionalität und ihres Standorts können wir heute drei Haupttypen von Wasserkraftwerken unterscheiden:

• • Laufwasserkraftwerke sind am stärksten von den Wetterbedingungen und dem Flusslauf abhängig, da sie kein Wasser speichern, sondern das fließende Wasser zur Energiegewinnung nutzen. Daher können diese Kraftwerke, die meist kleiner und leistungsschwächer als andere sind, nicht flexibel auf den Strombedarf reagieren. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie den Flusslauf nicht unterbrechen und somit die Umweltbelastung minimieren.

• • Speicherkraftwerke: Dies ist der Kraftwerkstyp, an den wir alle denken würden, wenn man uns danach fragt. Sie basieren auf der Speicherung unterschiedlicher Wassermengen, mit denen sie ihren Betrieb je nach Strombedarf regulieren. Sie sind große, naturnahe Energiespeicher, mit denen wir den Energiebedarf der Gesellschaft decken können, solange Wasserressourcen verfügbar sind.

• • Pumpspeicherkraftwerk: Hierbei handelt es sich um Speicheranlagen, die auf unterschiedlichen, übereinanderliegenden Höhen errichtet werden und Wasser von einem Speicherbecken in das andere pumpen, um einen kontinuierlichen Wasserkreislauf zur Energiegewinnung zu schaffen.

Welche Rolle spielt Wasserkraft bei der Energiespeicherung?

Eine der herausragenden Eigenschaften der Wasserkraft ist ihreFähigkeit, Strom zu Zeiten der Spitzennachfrage bereitzustellenDank der Möglichkeit, Stauseen in große Energiespeicher umzuwandeln. Dies war bis vor wenigen Jahrzehnten von großem Vorteil, hat aber mit dem Aufkommen anderer erneuerbarer Energietechnologien, deren Produktionsmenge aufgrund des Klimawandels abnimmt, zunehmend an Bedeutung gewonnen.

Die Bedeutung der Wasserkraft hat sich durch den Einsatz von Pumpanlagen, die überschüssige Energie aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen nutzen, um das bei der Stromerzeugung benötigte Wasser flussaufwärts zu befördern, weiter verstärkt. So wird die während der Stromerzeugung nicht ins Netz eingespeiste Wind- oder Photovoltaikenergie in diesen Anlagen genutzt, um die oberen Speicherbecken zu speisen. Dadurch kann diese Wasserressource zu einem späteren Zeitpunkt erneuerbar genutzt werden, ohne dass die erzeugte Energie verloren geht. Auch wenn der Wind nicht immer günstig steht und die Sonne nicht immer ausreichend scheint, kann Wasserkraft als alternative Quelle für grüne Energie dienen. Ein Stausee wird so zu einem riesigen Energiespeicher.

Ein Paradebeispiel für den Erfolg dieser Technologie und ihr großes Wachstumspotenzial ist das spanische Wasserkraftwerk Gorona del Viento auf der Kanarischen Insel El Hierro. Das 2014 in Betrieb genommene Kraftwerk deckt 70 % des gesamten Strombedarfs der kleinen Kanarischen Insel mit 100 % erneuerbarer Energie; an manchen Tagen wird der Energiebedarf sogar vollständig durch erneuerbare Energien gedeckt.