21.04.2008 Fachinformation 572 0

Positionspapier zur Wasserkraft

Die Geschichte der Wasserkraft

Seit mehr als vier Jahrtausenden ist die Wasserkraftnutzung zur Arbeitserleichterung des Menschen bekannt. Wasserräder zur Umwandlung der kinetischen Energie des strömenden Wassers in mechanische Energie lassen sich bis in das 3. Jahrtausend v. Chr. in China und im Vorderen Orient zurückverfolgen. Eine europaweite Verbreitung begann im frühen Mittelalter. Wasserräder trieben Getreidemühlen, Schleifereien, Säge-, Stampf- und Hammerwerke an. Entsprechend entstanden die bedeutendsten Gewerbezentren Europas dort, wo Wasserkraft reichlich vorhanden war.
Im 19. Jahrhundert setzte die Entwicklung von Wasserturbinen ein. Das dynamo-elektrische Prinzip wurde durch Werner von Siemens 1866 entdeckt, womit die Umwandlung der Kraft des Wassers in elektrischen Strom möglich wurde. Als am 12. September 1891 anlässlich einer internationalen Elektrizitätsausstellung in Frankfurt/Main 1.000 Glühbirnen zu leuchten und ein 10 m hoher künstlicher Wasserfall zu sprudeln begannen, war der Durchbruch für die Fernübertragung elektrischen Stromes, hier vom 175 km entfernten Flusskraftwerk Lauffen/Neckar, mit 25-kV-Drehstromübertragung geschafft.

Dank der daraufhin rasant zunehmenden Nutzung der Wasserkraft konnte um die Jahrhundertwende vielerorts in Deutschland die Elektrifizierung eingeleitet und somit der Grundstein für das heutige Versorgungsnetz gelegt werden.

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ETG-Fachbereich V1

Die Energieerzeugung auf Wasserkraftbasis im Netzverbund

Auch heute noch spielt die Wasserkraft eine wichtige Rolle für die Stromerzeugung. So ist eine gesicherte Energieversorgung nur dann gewährleistet, wenn die Produktion von Energie auf möglichst vielen und unabhängigen Säulen basiert und wenn auch die Bedarfsspitzen gut und zuverlässig bedient werden können. Hierzu leisten Wasserkraftanlagen einen wichtigen Beitrag.
Dabei zeichnet die Wasserkraft ein hoher Wirkungsgrad aus, indem bis zu rund 90 % der Energie des fließenden Wassers in elektrische Energie oder Strom umgewandelt werden kann. Wie viel Energie aus dem Wasser gewonnen werden kann, hängt von zwei Faktoren ab: der Wassermenge und dem Gefälle bzw. Höhenunterschied. Je größer die Wassermenge und je höher die Fallhöhe, desto stärker werden die Turbinen vom durchströmenden Wasser angetrieben. Meist produzieren Wasserkraftanlagen nahezu rund um die Uhr Energie und haben mit über 6.000 Stunden pro Jahr im Durchschnitt (Laufwasserkraft) eine hohe mittlere Ausnutzungsdauer. Damit sind sie eine der effizientesten, am höchsten verfügbaren Formen der Nutzung regenerativer Energiequellen darstellen.

Unter der Ausnutzungsdauer einer Anlage ist der Quotient aus der Betriebsarbeit in einer Zeitspanne und der Leistung einer Anlage. Dieser Wert gibt damit an, wie intensiv eine Anlage im Regeljahr mit 8.760 Stunden Strom erzeugt. Bei der Laufwasserkraft ist dies ein relativ hoher Betrag mit durchschnittlich mehr als 6.000 Stunden pro Jahr; in der restlichen Zeit sind die Anlagen aufgrund der Natureinflüsse - insbesondere Hoch- und Niedrigwasserzeiten - sowie infolge von Wartungsarbeiten etc. nicht in Betrieb.

Es gibt kaum Wasserkraftanlagen, die vollkommen baugleich sind, da die standortspezifischen und naturräumlichen Ansprüche an keinem Ort identisch sind. Diese Anlagen lassen sich in drei wesentliche Kategorien unterteilen: Laufwasserkraftanlagen, Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke.

 

  • Laufwasserkraftanlagen werden an Flüssen mit zum Teil geringem Gefälle, aber großen Durchflussmengen gebaut. Der in einer Laufwasserkraftanlage generierte Strom dient der Deckung eines Teils der benötigten Grundlast im Stromnetz. Die Turbinen und Generatoren im Krafthaus können, außer bei extremer Trockenheit oder Hochwasser, durchgehend laufen.

 

  • Speicherkraftwerke nutzen Wasser aus einem höher gelegenen natürlichen See oder einer künstlichen Talsperre (Stausee, Speicherbecken) mit natürlichem Zufluss. Das zufließende Wasser wird gespeichert, bis die Energie benötigt und hierzu das Wasser abgelassen wird. Über Rohrleitungen fließt das Wasser in das tiefer gelegene Krafthaus zu den Turbinen, die wiederum Generatoren antreiben. Diese Kraftwerksart kann kurzfristig in Betrieb genommen werden und so auftretende Spitzen im Stromnetz abdecken.

 

  • Pumpspeicherkraftwerke werden eingesetzt, um Leistungsspitzen im Stromnetz zu decken - bei Bedarf sogar in Sekundenschnelle. In der Spitzenlastzeit, zum Beispiel mittags, wird das Wasser im Turbinenbetrieb aus dem Oberbecken über die Turbinen in das Unterbecken abgearbeitet und elektrischer Strom erzeugt. In einer Schwachlastzeit, beispielsweise nachts, wird Wasser im Pumpbetrieb vom Unterbecken zurück ins Oberbecken gepumpt. Dabei fungiert meist der Generator als Motor für die Pumpe. Im Pumpbetrieb wird die von den thermischen Kraftwerken produzierte, überschüssige Energie aus dem Stromnetz entnommen und in Form des höher transportierten Wassers zwischengespeichert.

Diese Art der Speicherung stellt die einzige großtechnisch nutzbare Speichermöglichkeit für elektrische Energie in regionalen und überregionalen Stromversorgungsnetzen dar. Zusätzlich erfüllen diese Kraftwerke noch wichtige Regelungsaufgaben (Frequenz, Spannung etc.) im Netz, um die Versorgungsqualität auf hohem Niveau zu erhalten.
Entsprechend den natürlichen Gegebenheiten kommen unterschiedliche Turbinenarten zum Einsatz, wie insbesondere:

Kaplan-Turbine

Die Kaplan-Turbine wird vor allem in Flüssen mit großen Wassermengen und kleinem Gefälle, also mit geringer Fallhöhe, eingesetzt. Vertikal eingebaut ist sie in Laufwasserkraftwerken für Fallhöhen von bis zu 65 m geeignet und erreicht einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 %. Bei geringeren Fallhöhenunterschieden wird die Turbine auch mit horizontaler Welle eingebaut. Turbine und Generator befinden sich dabei in einem Gehäuse vollständig unter Wasser. Diese Bauweise nennt man dann Rohrturbine.
Das Laufrad ähnelt einem Schiffspropeller, durch dessen verstellbare Schaufeln die Wassermassen strömen und die Turbine antreiben. Jalousieartige Lamellen bilden den Leitapparat der Turbine. Er lenkt das einströmende Wasser so, dass es in einem optimalen Winkel auf die Schaufeln des Laufrads trifft. Die Schaufeln von Leitapparat und Laufrad sind jeweils verstellbar und werden den Schwankungen der Wasserführung und des Gefälles angepasst.
Eine einfachere Form dieses Turbinentyps stellt die Propeller-Turbine dar, bei der die Laufradschaufeln nicht verstellbar sind. Dementsprechend wird diese Turbine nur bei geringer schwankenden Zuflüssen und Fallhöhen eingesetzt.

Francis-Turbine

Francis-Turbinen sind universell einsetzbar und deshalb sehr verbreitet. Sie werden bei Fallhöhen von ca. 50 m bis ca. 700 m eingesetzt und erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 90 %.
Die Wasserzufuhr erfolgt bei der Francis-Turbine über die so genannte Spirale, ein schneckenförmig gekrümmtes Rohr, das für eine gleichmäßige Wasserzuführung auf das Laufrad sorgt. Das Wasser wird anschließend durch die verstellbaren Schaufeln des Leitapparats geführt und damit reguliert, bevor es auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades trifft. Diese Laufradschaufeln sind fest miteinander verbunden.

Pelton-Turbine

Die Pelton-Turbine ähnelt von allen Turbinenarten am stärksten dem klassischen Wasserrad. Diese Turbine wird bevorzugt in Kraftwerken mit großen Fallhöhen und geringen Durchflüssen eingesetzt.
Ein Peltonrad hat je nach Größe 20 bis 40 becherförmige Schaufeln, auf die der Wasserstrahl aus einer oder mehreren regelbaren Düsen mit sehr hohem Druck trifft. Der Strahl wird dabei so gelenkt, dass er seine Energie fast vollständig an die Turbine abgibt. Der Wirkungsgrad einer Pelton-Turbine liegt zwischen 85 und 90 %. Bei einer Fallhöhe von 1.000 m schießt beispielsweise der Wasserstrahl mit einer Geschwindigkeit von rund 500 km/h aus der Düse, bevor er auf die Becher trifft.

 

Viele der Wasserkraftanlagen übernehmen mit ihren Einrichtungen auch noch zahlreiche Zusatz- bzw. Mehrzweckaufgaben im Bereich der Wasserbewirtschaftung, wie z.B. Hochwasserschutz, Gewässerregulierung, Sicherstellung der Schifffahrt oder Schaffung von Freizeit- und Erholungsraum.

Neben den klassischen Formen der Wasserkraftnutzung im Binnenland existieren noch einige Sonderformen, insbesondere im maritimen Bereich. Hier werden vor allem die Gezeiten (s. Kasten), die Meeresströmung mittels unter Wasser installierter Propeller und die Wellenenergie mit unterschiedlichen, zum großen Teil noch nicht serienreifen Techniken genutzt. Viele dieser Nutzungsarten und der zugehörenden Techniken befinden sich augenblicklich mehr oder minder im Entwicklungsstadium, da die hier einzusetzenden Anlagenkomponenten besonderen Anforderungen vor allem durch das Salzwasser stand halten müssen. Hinzu kommt vielfach die noch nicht abschließend gelöste Frage der Energieableitung über weite Distanzen hin zu den Verbrauchsstätten. Mittel- bis langfristig wird diese Nutzungsform sicherlich an manchen Orten eine gewisse Rolle spielen können.

Das Gezeitenkraftwerk Rance

Dieses Kraftwerk nutzt seit 1966 das Mündungsbecken des Flusses Rance vor St. Malo (Normandie, Frankreich) an der Kanalküste mit 22 km² Oberfläche und 20 km Länge. Zwischen den Meeresspiegellagen ? 0 m ü. NN und 13,5 m ü. NN kann hier ein Volumen von 184 hm3 bei einem Durchfluss von bis zu 18.000 m³/s genutzt werden. Hierzu wurde ein 750 m langer Damm mit Schleuse, Krafthaus und Wehranlage errichtet. Im Krafthaus sind 24 Kaplan-Rohrturbinen von je 10 MW installierter Leistung angeordnet, die je nach Fließrichtung des Wassers infolge der Tide Strom - im Mittel ca. 550 GWh pro Jahr - erzeugen.

Struktur der Wasserkraft

Derzeit erzeugen in Deutschland etwa 6.000 bis 7.000 Wasserkraftanlagen unterschiedlicher Größe Strom. Dabei wird die Mehrzahl der kleineren Wasserkraftanlagen von Privatpersonen betrieben, zahlreiche Anlagen befinden sich aber auch schon immer im Besitz der größeren Energieversorgungsunternehmen (EVU). Die größeren Anlagen gehören überwiegend EVU sowie Industrieunternehmen und sind meist ein wichtiger Baustein in deren Erzeugungsportfolio. Diese knapp 100 Anlagen mit einer installierten Leistung über 10 MW erzeugen dabei etwa 2/3 der gesamten mittleren Stromerzeugung aus Wasserkraft [1].

Aufgrund der notwendigen physikalischen Randbedingungen hängt das nutzbare Potenzial der Wasserkraft vor allem von den geografischen Gegebenheiten ab. Aus diesem Grund sind mehr als drei Viertel des Potenzials in Bayern (ca. 57 %) und Baden-Württemberg (ca. 25 %) verfügbar, der Norden der Bundesrepublik Deutschland zeichnet sich hingegen kaum durch Möglichkeiten der Stromerzeugung aus Wasserkraft aus [2].
Insgesamt werden in Deutschland derzeit rund 3/4 des technisch nutzbaren Wasserkraftpotenzials zur Stromerzeugung herangezogen. Mit knapp 5.000 MW installierter Leistung in Lauf- und Speicherwasserkraftanlagen wurden im Jahre 2006 ca. 21,6 TWh erzeugt. Dies entspricht einem Anteil an der Gesamtbruttostromerzeugung von 3,5 % [3]. Damit ist die Wasserkraft die zweitwichtigste erneuerbare Energiequelle nach der Windkraft. Das derzeit noch nicht genutzte Wasserkraftpotenzial wird einerseits an bereits vorhandenen Wasserkraftanlagenstandorten aufgrund des notwendigen hohen Investitionspotenziales erst im Zuge von größeren Modernisierungsmaßnahmen erschließbar sein. Andererseits sind einige mögliche Standorte von Wasserkraftanlagen heute gesellschaftspolitisch nicht genehmigungsfähig, so dass dieses Potenzial derzeit nicht genutzt werden kann.

Aktuelle und künftige Entwicklung

Neben dem Erhalt der zum Teil über 100 Jahre alten Wasserkraftanlagen und damit auch deren Erzeugungspotenzial besteht in Deutschland nur noch eine begrenzte Möglichkeit, die Nutzung der Wasserkraft auszubauen. So wären einerseits im Rahmen von Modernisierungs- und Erweiterungsmaßnahmen vor allem bei größeren Anlagen eine zusätzliche Leistung von ca. 400-500 MW bzw. eine weitere Stromerzeugung in Höhe von etwa 2,2-2,7 TWh/a erschließbar [1]. Andererseits stehen bisher nicht genutzte Standorte in ähnlichem Umfang theoretisch zur Verfügung, deren Nutzung ernsthaft in Erwägung gezogen werden könnte. Das langfristige Potenzial der Wasserkraft wird bei rund 24 TWh/a gesehen [1].

Das bisherige Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) aus dem Jahre 2000 und dessen zum 01.08.2004 vorgenommene Novelle fördert auch die Wasserkraft. Hierbei wurde und wird jedoch vor allem die sogenannte kleinere Wasserkraft mit einer installierten Leistung bis zu 5 MW durch eine erhöhte Vergütung unterstützt.

Mit der EEG-Novelle 2004 haben auch Ausbauprojekte bei der größeren Wasserkraft, die bis Ende 2012 realisiert werden, mit einer erhöhten Vergütung in engen Grenzen Berücksichtigung gefunden. Allerdings wird der damit erhoffte Ausbau so nur sehr begrenzt erreicht werden können, denn die Planungs- und Genehmigungsverfahren dauern bei größeren Projekten vielfach länger als fünf Jahre - es werden also bis 2012 nur bereits sehr weit vorangetriebene Bauvorhaben realisiert werden können.

Bei dem größten dieser Projekte handelt es sich um den Neubau der Wasserkraftanlage Rheinfelden am Hochrhein zwischen Bodensee und Basel, der bis 2011 abgeschlossen sein soll. Durch den Neubau wird die bisherige Anlage aus dem Jahre 1898 ersetzt, so dass durch dieses Kraftwerk künftig die vierfache Strommenge (600.000 kWh/Jahr) erzeugt und damit weit über 500.000 Personen versorgt werden können.

Darüber hinaus werden jedes Jahr zahlreiche kleinere Anlagen erneuert und deren Arbeitsvermögen erhöht. Dadurch wächst die durch Wasserkraft erzeugte Strommenge in Deutschland alljährlich.

 

Quellennachweis

[1] Heimerl, S.; Giesecke, J.: Wasserkraftanteil an der elektrischen Stromerzeugung in
Deutschland 2003. In: Wasserwirtschaft 94 (2004), Heft 10, Seite 28-40

[2] Giesecke, J.; Mosonyi, E.: Wasserkraftanlagen - Planung, Bau und Betrieb.
4. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 2005

[3] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hrsg.):
Entwicklung der erneuerbaren Energien im Jahr 2006 in Deutschland; Stand: 21.02.2007

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