Wasserkraft – Wie funktioniert das? Wie nachhaltig ist das?

Wasserkraft ist weltweit die meist genutzte regenerative Energie. Und der größte Vorteil ist keine Überraschung: Wasserenergie setzt kaum Treibhausgase frei. Dennoch erfordern Wasserkraftwerke große Eingriffe in die Natur. Wie funktioniert Wasserkraft eigentlich? Welche Kraftwerktypen gibt es und wo wird Wasserkraft genutzt? Hier gibt’s den Wasserkraft Check!

Wasserkraft – Was ist das?

Die Kraft des Wassers wurde bereits vor der Zeit der Industrialisierung für den Betrieb von beispielsweise Sägewerken verwendet. Damals nutzte man die Energie direkt mechanisch.

So wurde kinetische und potenzielle Energie (Bewegungs- und Lageenergie) über ein Wasserrad in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Damit hat man neben Sägewerken auch Mühlen betrieben.

Heutzutage ist das Endprodukt eines Wasserkraftwerkes in Deutschland nur Elektrizität. Auch jetzt ist das Grundprinzip das Gleiche: Die kinetische Energie entsteht durch die Strömung. Und die potenzielle Energie im Wasser kommt durch die Aufstauung zustande. Bei Wasserkraft spricht man auch von „hydroelektrischer Energie“.

Moderne Wasserkraftwerke sind in der Lage, mehr als 90 % der mechanischen Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Dadurch sind sie den meisten anderen Erneuerbaren Energien überlegen.

Bild: Hans Braxmeier (Pixabay)

Wann wurde Wasserkraft erfunden und wer hat Wasserkraft erfunden?

Auf diese Fragen gibt es mehrere Antworten: Etwa 3000 v. Chr. haben die Chinesen erste Wasserwerke erbaut. Doch damals nutzte man das Wasserrad noch zur Bewässerung der Felder. Die alten Römer übernahmen die Technik und nutzten sie auch für andere Zwecke.

Im 18. und 19. Jahrhundert stellte die mechanische Energie der Wasserräder eine immer wichtiger werdende Antriebsquelle dar. So erfand der französische Ingenieur Benoît Fourneyron im Jahr 1842 die erste Wasserturbine. Und kurz darauf (1866) kam durch Werner von Siemens die Möglichkeit der Umwandlung in elektrische Energie durch einen Generator hinzu.

1880 wurde das erste Wasserkraftwerk im englischen Northumberland in Betrieb genommen. Mehr über die Geschichte der Wasserkraft erfährst Du im zugehörigen Wikipedia-Eintrag.

Welche Wasserkraftwerke gibt es?

Grob unterscheiden wir zwischen kleinen und großen Wasserwerken. Und zwar anhand der Leistung: Ein großes Wasserwerk produziert mehr als 1 Megawatt Strom.

Kleinwasserwerke werden nicht nur ans Netz gekoppelt, sondern dienen auch zum Teil als Energielieferant im Inselbetrieb.

Darüber hinaus unterscheiden wir zwischen Speicherkraftwerken und Laufwasserkraftwerken. Die Unterschiede zwischen den Kraftwerkstypen werden auf der Internetseite landeskraftwerke.bayern gut beschrieben:

Quelle: landeskraftwerke.bayern

Speicherkraftwerk

Speicherkraftwerke befinden sich in der Regel an Talsperren oder Bergseen. Man nennt sie daher auch Talsperrenkraftwerk bzw. Bergspeicherkraftwerk. Die natürliche Erdoberfläche in Deutschland lässt diese Form jedoch hierzulande nicht so häufig zu. Denn man benötigt dafür ein starkes Gefälle.

Durch den Höhenunterschied zwischen einem höher gelegenen Speichersee und dem Wasserwerk werden die Turbinen durch einen natürlichen Zulauf angetrieben. Voraussetzung für die Funktion sind Talsperren oder Staudämme.

Pumpspeicherkraftwerk

Pumpspeicherkraftwerke pumpen mit einem Motorgenerator tiefer gelegenes Wasser mit Hilfe von überschüssiger Energie in ein Speicherbecken nach oben. Die potentielle Energie kann dann nach Bedarf umgewandelt werden, indem das hochgepumpte Wasser wieder nach unten abläuft.

Laufwasserkraftwerk

Am häufigsten verwenden wir in Deutschland Laufwasserwerke. Hier wird die natürliche Strömung eines Flusses, Baches oder Kanals genutzt, um daraus Strom zu erzeugen. Zur Erhöhung der potenziellen Energie nutzt man zumeist das Prinzip der Aufstauung. Laufwasserkraftwerke werden darum vielfach in Verbindung mit Schleusen gebaut. Da die Einspeisung ins Stromnetz nicht regelbar ist, dienen Laufwasserwerke lediglich zur Deckung des Grundbedarfs an Strom.

Wasserkraft – Wie funktioniert das?

Schauen wir uns die Funktionsweise von Wasserkraftwerken mal etwas genauer an. Heutzutage wird das Wasser sowohl bei Laufwasser- als auch bei Speicherkraftwerken durch ein Rohr mit einer Turbine geleitet. Je größer die Fallhöhe des Wassers, desto mehr Energie kann das Kraftwerk umwandeln. Deshalb baut man Staumauern. Vor der Mauer staut sich das Wasser.

Bei Speicherkraftwerken kann der Betreiber bedarfsweise einen Einlaufverschluss in der Staumauer öffnen. Dadurch kann das Wasser mit umso größerem Druck durch die Turbine fließen. Von der Turbine aus gelangt die kinetische Energie entweder direkt oder über ein Getriebe in den Generator, der sie in Elektrizität umwandelt. Damit der Strom ins Netz eingespeist werden kann, ist zumeist auch ein Umspannwerk an das Wasserwerk angegliedert.

Sehr gut erklärt der Youtube-Kanal „binogi“ es in diesem Video.

Wo wird Wasserkraft genutzt?

Weltweit ist Wasserkraft die am häufigsten verwendete regenerative Energie. Fast jede fünfte Kilowattstunde auf der ganzen Welt entsteht durch hydroelektrische Energie.

Viele Erneuerbare Energien haben den Nachteil, dass Sie nicht regelbar sind. Das bedeutet, die Speicherung ist gar nicht oder nur durch großen Aufwand möglich. Insofern wäre es naheliegend, in Deutschland regelbare Speicherkraftwerke auszubauen.

Eine vom Umweltministerium in Auftrag gegebene Studie hat jedoch gezeigt, dass Wasserkraft aufgrund der topografischen Bedingungen in Deutschland kaum noch ausbaufähig ist. Aktuell sind die meisten deutschen Wasserkraftwerke im Voralpenland zu finden. Hier und dort können wir durch Modernisierung bestehender Wasserwerke noch effizienter werden. Mehr ist aber nicht drin.

Bei Wasserkraftwerken denke ich zuerst immer an Norwegen. So werben viele vermeintliche Ökostrom Anbieter damit, uns mit Strom aus Wasserkraft aus Norwegen zu versorgen. Tatsächlich liegt Norwegen aber weltweit nur auf Platz 8.

In der Liste der wichtigsten Länder nach installierter Leistung der Wasserkraftanlagen ist China mit großem Abstand Spitzenreiter. Darauf folgen Brasilien und die USA

Quelle: Statista

Wie nachhaltig ist Wasserkraft

Die Frage „Warum ist Wasserkraft so wichtig?“ haben wir also geklärt: Die Technologie ist extrem emissionsarm, erneuerbar und hat gleichzeitig einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung in elektrische Energie. Das wiederum wirkt sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit aus.

Wasserkraftwerke funktionieren aber nicht ohne enorme Eingriffe in die Natur. Je mehr Wasser über das Jahr verteilt gleichbleibend genutzt werden kann, desto effizienter können Wasserwerke Strom erzeugen. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Stromproduktion ist die Fallhöhe des Wassers. Und genau diese ist untypisch für die Gewässer in Deutschland. Umso notwendiger sind für die Steigerung der Produktivität daher Eingriffe in Flüsse und Bäche.

Das Umweltbundesamt benennt 3 negative Auswirkungen auf die Ökologie:

• "Unterbrechung von Fließgewässern"
• "Schädigung von Organismen, welche die Turbinenanlage passieren"
• "Veränderung des Lebensraumes unterhalb von Stauwerken durch zu geringen Wasserabfluss im verbleibenden Gewässerbett"

Festzustellen ist also, dass die Stromerzeugung durch Wasserkraft kaum CO2 verursacht. Ein „Blick über den Tellerrand“ zeigt aber: Wasserenergie entsteht trotzdem in erheblichem Maße auf Kosten der Umwelt. Hierzu nur eine von vielen beispielhaften Fragen: Wie sollen Fische Fluß aufwärts zu ihren Laichplätzen kommen, wenn eine Staumauer im Weg ist?

Ist Wasserenergie wirklich Ökostrom?

Deshalb stellt sich die Frage, ob wir Strom aus Wasserkraft überhaupt guten Gewissens als Ökostrom bezeichnen können. Die Antwort: Es kommt drauf an.

Egal wie wir Strom erzeugen: Eingriffe in die Natur sind unausweichlich. Sie sollten jedenfalls so gering wie möglich ausfallen. Was Wasserkraft betrifft, heißt das: Wir sollten nur in Gewässer eingreifen, in denen die darin lebenden Organismen standhalten können. Deshalb müsste man auch mehrere aufeinanderfolgende Wasserkraftwerke vermeiden.

Falls Du Dich außerdem für die Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile von Solarenergie und Windenergie interessierst, lies meine zugehörigen Artikel: