Wasserkraft

1.Einleitung

2.Wasserkraftwerke

3.Turbine

4.Fazit

1.Einleitung

Die Wasserkraft gehört zu den ältesten Energiequellen der Menschheit. Jahrhunderte lang wurde sie als mechanische Energie zum Betrieb von Mühlen, Hammerwerken, Sägewerken (Abb. 1 ) ähnlichen Anlagen genutzt. Heute wird die Kraft der Flüsse und Talsperren hauptsächlich zur Stromerzeugung verwendet. Die Wasserkraft hat in Deutschland einen Anteil von 4,3% an der gesamten öffentlichen Stromversorgung, die meist genutzte regenerative Energiequelle (sie hat einen Anteil von 85 % an den regenerativen Energiequellen).

Die Energie Umwandlung geschieht ohne Schadstoff - Freisetzung, ohne Wärmeabgabe an die Umgebung und  

Abb. 1 Ein traditionelle Wasserrad

 mit einem sehr hohen Wirkungsgrad.

Aber wie kann man Energie aus Wasser gewinnen? Physikalisch betrachtet nutzt man die kinetische Energie des Wassers. Nun jede Wasserkraftanlage nutzt das Gefälle eines Flusses. Dem natürlichen Flußbett wird Wasser entnommen und über Rohrleitungen oder Kanäle einer Turbine zugeführt. So läßt sich die vorhandene potentielle Energie zur Elektrizitätserzeugung nutzen. Um möglichst wenig Energie auf dem Weg zur Turbine zu verlieren, müssen die Kanäle bzw. Rohrleitungen entsprechend gebaut werden. Glatte Wände und eine geringe Fließgeschwindigkeit des Wassers sind dabei wichtig. Am Beginn des Kanals wird ein Rechen angebracht, um grobes Geäst und Geröll fernzuhalten. Kurz vor der Turbine wird das Wasser nochmals durch einen Feinrechen gereinigt. In der Regel wird das Wasser durch ein Wehr aufgestaut, so daß oberhalb der Anlage ein kleiner Stausee entsteht.

Die Nutzung der elektrischen Energie aus Wasserkraft wird ertragreicher, desto mehr Wasser zur Verfügung steht, und je höher das Gefälle ist. Dieser Zusammenhang wird in Form der potentiellen Energie ausgedrückt; die potentielle Energie hängt von der Masse des fallenden Wassers und von relativen Höhenunterschied ab:

E = m x g x h

E = potentielle Energie

m = Wassermasse (in kg)

g = Erdbeschleunigung (9,81 m/s²)

h = Höhenunterschied (in m)

2. Welche verschiedenen Arten von Wasserkraftwerken gibt es?

Laufwasserkraftwerke

Sie arbeiten rund um die Uhr. Ihre elektrische Arbeit ist von der Wasserführung des Flusses abhängig. Sie werden heute überwiegend als Flußkraftwerke (Abb. 2 A) direkt in den Flußlauf gebaut. Eine andere Variante des Laufwasserkraftwerks ist das Ausleitungskraftwerk (Abb. 2 B): Ein Wehr im Flußlauf leitet einen Teil des Wassers durch einen Kanal zum Kraftwerk. Von dort strömt das Wasser wieder zurück in den Fluß. Kraftwerksketten mehrere Anlagen hintereinander an einem Fluß bieten zum Teil die Möglichkeit, nachts Wassermengen anzustauen. Diese 'Stromreserve' kann bei

Spitzenbedarf an die Turbinen abgeben werden.

Speicherwasserkraftwerke

Nutzen Wasser aus hochgelegenen Seen, das über Druckrohrleitungen oder Stollen auf die Turbinen des im Tal gelegenen Kraftwerks fließt.

Pumpspeicherkraftwerk

Pumpspeicherkraftwerke arbeiten nach dem Schema 'Erst pumpen, dann speichern'. Meist verfügen sie über ein künstlich angelegtes Speicherbecken, das im allgemeinen nicht durch Zuflüsse gefüllt wird. In Zeiten geringen Strombedarfs wird Wasser aus einem natürlichen Gewässer nach oben in das Speicherbecken gepumpt. Wenn dagegen viel Strom benötigt wird, kann das Wasser aus dem oberen Becken über die Turbinen abgelassen werden. Dabei wird wertvoller Spitzenstrom erzeugt.

Wellenkraftwerke

Kleinere Leistungen lassen sich auch durch die Nutzung des Wellenschlags erzielen. Dies ist allerdings nur an dafür günstigen Küsten möglich, wie sie etwa England, Norwegen, Frankreich und Dänemark haben. Ein Dorf auf der schottischen Insel Islay bezieht seinen Strom z.B. von einem Wellengenerator. Dabei werden die Wellen in eine Betonkammer gelenkt. Der plötzliche Wasseranstieg preßt die Luft in der Kammer zusammen, und die so entstehende Preßluft treibt eine Turbine an. Ebenso wird der Unterdruck beim Zurückschwappen der Welle zum Antrieb der Turbine benutzt. Für die Stromgewinnung aus Wellenkraft gibt es verschiedene Varianten. An deutschen Küsten kommt eine Nutzung der Wellen wie auch der Gezeiten nicht in Betracht, da die Kosten in keinem Verhältnis zu dem bescheidenen Nutzen stehen.

3. Nun gibt es aber noch verschiedene Turbinenarten:

Francisturbine

Im Jahre 1849 entwickelte der Engländer James Francis eine Turbine mit verstellbaren Flügeln, die vor allem in Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt wird. Fallhöhe: bis zu 800m; Leistung: bis zu 750 MW; Wirkungsgrad: bis zu 90%.

Kaplanturbine

Die um 1910 von dem österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan entwickelte Turbine ähnelt einer Schiffsschraube. Ihr Laufrad trägt mehrere Propellerflügel, die axial durchströmt werden und zur Anpassung an schwankendes Wasserangebot verstellt werden können. Einsatzbereich sind die Laufwasserkraftwerke. Fallhöhe: bis zu 200m; Leistung: bis zu 125 MW; Wirkungsgrad: bis zu 95%.

Peltonturbine

Der Amerikaner Lester Pelton konstruierte 1889 eine Turbine, bei der das Wasser tangential aus einer oder mehreren Düsen auf becherförmige Schaufeln eines Turbinenrades trifft. Sie wird vorwiegend in Wasserkraftwerken mit sehr großen Fallhöhen und vergleichsweise geringen Wassermengen eingesetzt. Fallhöhe: 550

bis 2000m, Leistungen: bis zu 500 MW, Wirkungsgrad: über 90%.

Durchströmturbine

Durchströmturbinen verfügen über ein walzenförmiges Laufrad mit gekrümmten Schaufeln. Sie sind auf Höhen bis zu 200 Metern angelegt und zeichnen sich durch einen einfachen, robusten und kostengünstigen Aufbau aus.

4.Vor- und Nachteile der Wasserkraft

Vorteile

- kein Verbrauch natürlicher Ressourcen

- keine Emission von Schadstoffen und nur geringe Abwärme

- hoher Wirkungsgrad (etwa 90%)

- lange Lebensdauer einer Anlage (ca. 50 Jahre)

- einfache und bewährte Technologie

- niedrige Betriebskosten aufgrund geringer Erfordernisse an Wartung und

Bedienung

- Energiespeicherungsmöglichkeit

- Schnelligkeit des Anfahrens und Abstellens einer Anlage

- mittelbare Vorteile bei Mehrzwecknutzung (Bewässerung, Schiffahrt,

Hochwasserschutz, Trinkwasserversorgung, Erholung, Fischzucht)

- Verbesserung der ökologischen Verhältnisse an einem zuvor naturfern

ausgebauten Gewässer

- Hebung des Grundwasserspiegels

Nachteile

- vergleichsweise hohe Investitionskosten (1000-6000 DM /kW installierter Leistung)

- häufig große Entfernungen zwischen günstigen Wasserkraftstandorten und

Verbraucherzentren

- Energieerzeugung unregelmäßig

- Überstauung anderweitig nutzbarer Flächen und ökologisch wertvoller

Lebensräume

- soziologische Effekte aufgrund von Umsiedelungen

- Störung des Geschiebe- und Wasserhaushalts

- Unterbrechung und Einschränkung des Lebensraumes für Wanderfische

5.Fazit

Die Energiegewinnung durch Wasserkraftnutzung ist sicherlich wie im Vorhergehenden begründet ein nicht zu vernachlässigender Beitrag zur öffentlichen Stromversorgung. Die Ausbaupotentiale sind realistisch gesehen jedoch relativ gering und es muß davon ausgegangen werden, daß in den nächsten Jahren nur geringe Steigerungen zu erwarten sind. Angesichts der Tatsache, daß in der Bundesrepublik kaum noch intakte Fließgewässer vorhanden sind, erscheint auch jeder weitere Eingriff in die Ökosysteme als problematisch. Der Umweltschutz mit Schonung der fossilien Energieträger und Reduzierung der CO2- Emissionen kann nicht auf Kosten des Gewässer- und Naturschutzes erfolgen.

Informationsquellen:

Internet:

https://www.wkv-ag.com/

Lexikon:

Encarta - CD

Encarta Online