Wasserkraftwerk: Energiegewinnung aus Wasserkraft

Wasserkraftwerk: Energiegewinnung aus Wasserkraft

 

Auch Wasserkraft ist eine erneuerbare Energie, hinter der sich die Sonne als eigentliches Kraftzentrum verbirgt. Die Sonne wirkt als »Motor«, der den Wasserkreislauf auf der Erde treibt. Sie lässt das Wasser verdunsten und sorgt für seinen Aufstieg von den Meeren in die Atmosphäre. Als Niederschlag fällt das Wasser auf die Erde zurück und strömt dort zurück in die Ozeane, wobei es oft große Höhenunterschiede durchläuft.

 

Das Wasserkraftpotenzial der Erde ist sehr groß, selbst das technisch erschließbare könnte den heutigen Strombedarf leicht decken. Allerdings zeigen einige Großprojekte der Vergangenheit, dass die Planer sehr weit reichende ökologische Zusammenhänge prüfen müssen. Umweltaspekte könnten das technisch verfügbare Potenzial also deutlich reduzieren.

 

Ohne das Zutun des Menschen verliert sich die Energie des fließenden Wassers über Reibung in Wärmeentwicklung. Mittels Turbinen aber kann man die potenzielle (Lageenergie) und kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Wassers in mechanische Rotationsenergie umsetzen und damit einen Generator drehen, der schließlich elektrischen Strom liefert. Eine Schlüsselgröße ist die Höhe des nutzbaren Gefälles, sowohl für die Art der Nutzung als auch für den Wirkungsgrad der Umwandlung in elektrische Energie.

 

 Typen von Turbinen

 

Als zweite Schlüsselgröße bestimmt die Durchflussmenge die Konstruktion und Leistung von Wasserkraftwerken. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Typen für den Hoch- und Niederdruckbereich. Während eine Variante an Flüssen mit kleinen Fallhöhen, aber großen Wassermengen arbeitet (Laufwasserkraftwerk), nutzt der andere Typ in Gebirgsregionen die kleineren Durchflussmengen mit großen Fallhöhen von gelegentlich mehr als 1000 m. Der zweite Typ kann ohne große Wehre aus dem natürlichen Gerinne direkt gespeist oder aus Stauseen versorgt werden (Speicherkraftwerke).

 

Im Wesentlichen decken die vier Turbinenkonstruktionen Durchström-, Kaplan-, Francis- und Pelton-Turbine die verschiedenen Einsatzarten ab. Man unterscheidet dabei Gleichdruck- und Überdruckturbinen. Bei Gleichdruckturbinen wird die potenzielle Energie des Wassers in einer oder mehreren Düsen vollständig in Geschwindigkeit umgewandelt; am Laufrad ändert sich der Druck nicht. Bei Überdruckturbinen nimmt der Wasserdruck stetig vom Eintritt gegen den Austritt hin ab. Das Leitrad wird mit drehbaren Schaufeln ausgeführt und dient als Regel- und Absperrorgan. Die Turbinenwelle ist mit der Generatorwelle meist fest gekuppelt.

 

 Laufwasserkraftwerke

 

Laufwasserkraftwerke erzeugen Strom im Grundlastbereich. Ihre Lage an Flüssen bestimmt die konstruktiven Charakteristika. Die Fallhöhe liegt unter etwa 15 m, dafür laufen große Wassermengen über die Turbinen, aber meist mit großen jahreszeitlichen Schwankungen. In solchen Anlagen sind vor allem Kaplan- sowie Durchströmturbinen gebräuchlich. Das Wasser wird durch ein Wehr aufgestaut und strömt stetig durch die Turbine. Diese Kraftwerke dienen neben der Energieerzeugung häufig auch dem Hochwasserschutz und, in Kombination mit Schleusen, der Schifffahrt.

 

 Speicherkraftwerke

 

Speicherkraftwerke sind neben dem Einsatz im Grundlastbereich vor allem für die Stromerzeugung im Spitzenlastbereich geeignet. Das nötige Wasser steht in Speicherseen bereit. Sind sie als Talsperren konzipiert, dienen sie häufig zusätzlich der Trinkwasserversorgung oder Bewässerung. Das eigentliche Kraftwerk, das in der Regel mit Kaplan- oder Francis-Turbinen ausgestattet ist, befindet sich meist am Fuß der Staumauer. Üblich sind außerdem Bergspeicher, die ebenfalls künstlich aufgestaut oder aber natürlichen Ursprungs sind. Bei Bergspeichern wird das Wasser über Druckrohre oft weit hinab ins Tal zum Maschinenhaus geleitet. Unter günstigen Verhältnissen kann man für solche Hochdruck-Wasserkraftwerke auf große Stauwerke mit all ihren ökologischen Implikationen verzichten. Bei Fallhöhen von oft tausend Metern und mehr werden meist Pelton-Turbinen für die Energieumwandlung eingesetzt.

 

Eine Sonderform sind die Pumpspeicherkraftwerke mit hoch gelegenen Speicherbecken, in die während verbrauchsarmer Zeiten mit Überschussstrom Wasser gepumpt wird. Bei Bedarfsspitzen kann man damit Strom erzeugen. Je nach Fallhöhe kommen Pelton- oder Francis-Turbinen zum Einsatz. Francis-Turbinen dienen im Füllbetrieb auch als Pumpen.

 

Streng genommen liefern Pumpspeicherkraftwerke keine erneuerbare Energie, da man hier bereits erzeugte elektrische Energie als Lageenergie des Wassers speichert. Anders sieht es aus, wenn Strom aus regenerativen Quellen die Pumpen treibt, also ein Wasserspeicher im Verbund mit Windkraft- oder Photovoltaikanlagen arbeitet.