Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?
Sauber, klar, zuverlässig! Aus Wasserkraft lässt sich klimaschonend Strom gewinnen. Wie das geht, erfährst du hier!
Auf die Idee, die Kraft des Wassers zu nutzen, kamen Menschen schon früh: Man baute Wasserräder in Flussläufe und schon klapperten die Mühlen, das Sägewerk oder ein Hammerwerk am rauschenden Bach. Auch heute nutzen wir die Energie des Wassers. Im Bereich der erneuerbaren Energien ist Wasserkraft besonders wichtig. Anders als Sonne und Wind ist Wasser eine sehr zuverlässige ergänzende Quelle. In Wasserkraftwerken kann rund um die Uhr CO₂-frei und damit klimaschonend Strom produziert werden.
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Das erwartet dich hier:
- Was ist ein Wasserkraftwerk?
- Aufbau eines Wasserkraftwerks.
- Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?
- 8 Arten von Wasserkraftwerken.
- Der Wirkungsgrad von Wasserkraft.
- Vor- und Nachteile von Wasserkraft.
- Sind Wasserkraftwerke nachhaltig?
- So kommt Strom aus Wasserkraft zu dir.
- Fazit: Die sprudelnde Energiequelle.
Was ist ein Wasserkraftwerk?
Ein Wasserkraftwerk wandelt die Energie von fließendem oder gestautem Wasser in elektrische Energie um. Diesen Vorgang nennt man auch Hydroenergie. Was wir dafür brauchen? Durch den Wasserfluss angetriebene Turbinen und einen Generator, der aus der mechanischen Energie Strom erzeugt.
Je nach Bauart unterscheidet man zwischen verschiedenen Kraftwerkstypen. Am häufigsten gibt es die sogenannten Laufwasserkraftwerke. Sie sind an Flüssen gebaut und nutzen die Energie des fließenden Wassers. Speicherkraftwerke haben große Stauseen, Pumpspeicherkraftwerke können Energie besonders gut speichern und Gezeitenkraftwerke nutzen die Kraft von Ebbe und Flut.
Aufbau eines Wasserkraftwerks.
Das Beispiel zeigt den Aufbau eines Laufwasserkraftwerkes, das nicht nur zu den einfachsten Typen in der Wasserkrafttechnik zählt, sondern auch am häufigsten in Deutschland vorkommt. Laufwasserkraftwerke liefern 24 Stunden am Tag Strom. Ihr Problem: Sie sind nicht regulierbar, weshalb man den dort erzeugten Strom für die Grundlast verwendet – also die Menge an Strom, die täglich in jedem Fall bereitgestellt werden muss.
Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?
Im Grunde arbeiten Wasserkraftwerke nicht anders als die klappernde Mühle am Bach. Früher entstand dabei aber nur mechanische Energie. Moderne Wasserkraftwerke können mehr: Sie nutzen die mechanische Energie, um elektrische Energie zu erzeugen.
Das Ganze läuft in fünf Schritten ab:
Wasser wird über ein Wehr oder einen Staudamm gestaut.
Durch den Einlaufbereich strömt das Wasser kontrolliert in die Anlage.
Es trifft mit Druck auf die Turbinenschaufeln und versetzt diese in Rotation.
Die Turbine treibt den Generator an, ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo.
Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrischen Strom um, der ins Netz eingespeist wird.
Die manchmal haushohen Turbinen in einem Wasserkraftwerk können somit Strom für hunderttausende Haushalte liefern.
8 Arten von Wasserkraftwerken.
Je nach den örtlichen Gegebenheiten und den verfügbaren Wasserressourcen gibt es unterschiedliche Arten von Wasserkraftwerken. Hier sind einige der wichtigsten Typen:
Laufwasserkraftwerk.
Ein Laufwasserkraftwerk, auch Flusskraftwerk genannt, ist die klassische Form des Wasserkraftwerks und kommt am häufigsten in Deutschland vor. Es nutzt die kinetische Energie von kontinuierlich fließendem Wasser, um Strom zu erzeugen. Die Anlage besteht aus einem Damm, der einen Fluss aufstaut, und Turbinen im Wasser. Wenn das Wasser durch die Turbinen strömt, treibt es Generatoren an, die wiederum Elektrizität erzeugen. Die Höhe des Dammes bestimmt den Druck des Wassers und damit die Energiemenge, die produziert werden kann. Flusskraftwerke sind sehr saubere und nachhaltige Energiequellen, die die Umwelt weniger belasten als fossile Brennstoffe.
Wasserspeicherkraftwerk.
Wasserspeicherkraftwerke funktionieren ähnlich wie Laufwasserkraftwerke: Wasser treibt die Turbinen an. Aus der kinetischen Energie des Wassers wird die mechanische Energie der Turbine. Der Generator macht daraus dann elektrische Energie, oder kurz gesagt: Strom. Für Wasserspeicherkraftwerke speichert man die Energie des Wassers, indem ein Fluss zu einem Stausee aufgestaut wird. Je nach Bedarf wird das Wasser des Sees durch das Wasserkraftwerk geleitet und produziert Strom. Im Unterschied zum Laufwasserkraftwerk fließt das Wasser hier also nicht die ganze Zeit durch die Anlage, sondern nur dann, wenn zusätzlicher Strom notwendig ist. Ein Wasserspeicherkraftwerk kann also im Prinzip Strom auf Knopfdruck produzieren.
Pumpspeicherkraftwerk.
Das Ziel von Pumpspeicherkraftwerken ist das Speichern von Strom, indem man Wasser als Speichermedium nutzt. Für ein Pumpspeicherkraftwerk werden große Wassermengen in einem Speicherbecken aufgefangen. Befindet sich nicht benötigter Strom im Stromnetz, fließt er ins Kraftwerk. Hier treibt er eine Pumpe an, die das Wasser aus dem unteren Becken in das Oberbecken pumpt. Dort wird es gespeichert. Das Stromnetz ist entlastet, ohne dass Energie verloren geht. In Spitzenlastzeiten wird das Wasser wieder zurück zum Speicherkraftwerk geleitet, in elektrische Energie zurück verwandelt und ins Stromnetz eingespeist. Überschuss-Strom kann man aber auch noch einen Schritt weiterdenken: Per Elektrolyse lässt sich damit Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten und grüner Wasserstoff so als langfristiger Energiespeicher nutzen.
Gezeitenkraftwerk.
Gezeitenkraftwerke nutzen die Energie von Ebbe und Flut aus, um Strom zu erzeugen. Sie stehen überall dort, wo es Gezeiten gibt: am Meer oder in großen Flussmündungen. Die Wasserströmungen bei Ebbe und Flut treiben in den Anlagen Wasserturbinen an und erzeugen über einen Generator Strom. Die Turbine kann sowohl bei Flut in die eine Richtung als auch bei Ebbe in die andere Richtung angetrieben werden. Ein großer Tidenhub ist für Gezeitenkraftwerke gut, da diese so mehr Strom erzeugen können. Im Unterschied zu den anderen bereits genannten Anlagenarten beeinflussen Gezeitenkraftwerke kaum die Natur. Sie sind aber auf Wasserströmungen von Ebbe und Flut angewiesen und können nicht kontinuierlich Strom liefern.
Wellenkraftwerk.
Ganz neu sind sogenannte Wellenkraftwerke, die – wie der Name schon sagt – die Kraft der Meereswellen nutzen, um Energie zu produzieren. Wie die kinetische Energie dabei in elektrische Energie umgewandelt wird, ist je nach Ansatz unterschiedlich. Leitet man die Wellen in eine Betonkammer, entsteht Druckluft. Diese treibt Turbinen an, die wiederum den Stromgenerator in Gang setzen. Werden die Wellen hingegen auf eine Rampe gelenkt und fließen dann wieder hinunter, treibt das abfließende Wasser über Turbinen einen Generator an und fließt dann zurück ins Meer. Beide Arten von Wellenkraftwerken befinden sich noch in sehr intensiven Testphasen.
Unterwasserkraftwerk.
Ein Unterwasserkraftwerk nutzt die Strömung von Flüssen oder Meeresgewässern, um elektrische Energie zu erzeugen. Es besteht aus Turbinen, die in fließenden Gewässern und unter Wasser installiert werden. Diese Turbinen werden von der Strömung angetrieben und übertragen die Bewegungsenergie auf Generatoren, die Strom erzeugen. Unterwasserkraftwerke sind vergleichsweise umweltfreundlich, da sie keine Treibhausgase ausstoßen und den natürlichen Fluss des Wassers nicht beeinträchtigen.
Mikrowasserkraftwerk.
Ein Mikrowasserkraftwerk ist eine kleine Anlage zur Energieerzeugung, die die kinetische Energie von Flüssen oder sogar Bächen nutzt. Es besteht aus einer Turbine, einem Generator und einer Steuereinheit. Das Wasser strömt durch die Turbine, die sich dreht und den Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Diese Anlagen können in natürlichen oder künstlichen Wasserläufen installiert werden, sind dezentralisiert aufgebaut und liefern hauptsächlich Strom für lokale Energiebedürfnisse.
Osmosekraftwerk.
Ein Osmosekraftwerk nutzt den osmotischen Druckunterschied zwischen Salzwasser und Süßwasser, um Energie zu erzeugen. Genauer gesagt besteht es aus halbdurchlässigen Membranen, die das Salzwasser vom Süßwasser trennen. Durch die Membranen gelangt das Süßwasser zum Salzwasser, wodurch der Druck auf der Salzwasserseite steigt. Diesen Druck nutzt man dann, um Turbinen und Generatoren anzutreiben, die elektrische Energie erzeugen. Osmosekraftwerke sind bisher wegen technischer Herausforderungen nur begrenzt einsetzbar. Sie könnten aber eine wichtige Rolle in der zukünftigen nachhaltigen Energieerzeugung spielen.
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Der Wirkungsgrad von Wasserkraft.
Die Wasserkraft nimmt dank ihres beeindruckenden Wirkungsgrades von 90 % eine herausragende Stellung unter den erneuerbaren Energiequellen ein. Im Klartext bedeutet das: 90 % der im Wasser verfügbaren Energie können in elektrischen Strom umgewandelt werden. Wow!
Kurzum: Wasserkraftwerke sind gerade im Vergleich mit Windenergie (Wirkungsgrad von 45 %) und Solarenergie (Wirkungsgrad von etwa 25 %) eine extrem effiziente Methode der Stromerzeugung. Wie hoch der Stromertrag eines Wasserkraftwerkes tatsächlich ist, hängt von drei entscheidenden Faktoren ab:
Der Wasserdurchfluss:
Eigentlich klar – je mehr Wasser durch die Turbinen fließt, desto mehr Strom kann auch erzeugt werden.Die Gefällehöhe:
Je größer die Fallhöhe des Wassers, desto mehr Druck hat es auch.Die Qualität von Turbinen und Generatoren:
Je besser und effizienter die beiden Bauteile arbeiten, desto mehr Wasserenergie können sie in elektrischen Strom umwandeln.
Ein konkretes Beispiel: Um eine Kilowattstunde (kWh) Strom zu erzeugen, benötigt man über eine Stunde einen Wasserfluss von 1,5Litern pro Sekunde bei einer Fallhöhe von 100 Metern.
Vor- und Nachteile von Wasserkraft.
Vorteile:
Die Effizienz von Wasserkraftwerken ist quasi unschlagbar. Denn mit einem Wirkungsgrad von 90 % sind sie anderen Formen der nachhaltigen Energiegewinnung klar überlegen und weitgehend unabhängig von Wetterbedingungen sowie von Tages- und Jahreszeiten. Und klar: Im Gegensatz zur Nutzung von Öl, Kohle oder Gas ist bei Wasserkraftwerken keine Rohstoffnutzung nötig. Außerdem ist Wasser eine stets erneuerbare Energiequelle.
Nachteile:
Wasserkraftwerke können nicht überall errichtet werden und sind nur an besonders geeigneten Standorten sinnvoll. Denn klar: Der Bau eines solchen Kraftwerkes ist ein Eingriff in die Natur, da der natürliche Verlauf des Wassers unterbrochen und das Ökosystem dadurch beeinflusst wird. Gut zu wissen: Schon seit Längerem werden für jedes Wasserkraftwerk ökologische Ausgleichsflächen geschaffen.
Sind Wasserkraftwerke nachhaltig?
Generell gilt: Wasserkraftwerke sind umweltfreundlich! Das genutzte Wasser wird zurück in die Flüsse geleitet und sogar noch verbessert: Die Turbinen des Kraftwerks reichern das Wasser mit Sauerstoff an. Eingriffe in die Natur, wie die Änderung von Flussläufen, werden heute ausgeglichen. Es werden Fischpässe gebaut, damit Fische flussaufwärts zu ihren Laichplätzen wandern können, oder es wird nur ein Teil des Flusses für das Wasserkraftwerk genutzt.
4 % des in Deutschland erzeugten Bruttostroms wurde laut Fraunhofer Institut im Jahr 2024 aus Wasserkraft gewonnen. In Strom gerechnet sind das 21 Terrawattstunden, die in 7.300 Wasserkraftanlagen produziert wurden. Deren Leistung: 6.400 Megawatt (MW). Dabei reicht die Spannbreite von der Kleinstanlage mit weniger als 1 kW Leistung bis zum großen Flusskraftwerk mit insgesamt 120 MW Leistung.
So kommt Strom aus Wasserkraft zu dir.
Dass die Kraft des Wassers in elektrische Energie umgewandelt wird und dann in unsere Steckdosen gelangt, kann nur mit einem Umspannwerk gelingen. Nur durch diese Verbindung kann die erzeugte Energie in die Hochspannungsnetze eingespeist und weiter zu uns Verbraucher:innen gebracht werden. Umspannwerke sind also ein integraler Bestandteil bei der Nutzung von Wasserenergie.
Fazit: Die sprudelnde Energiequelle.
Ein fließendes Wunder sagen die einen, die effektivste regenerative Energie sagen die anderen. Und vermutlich stimmt beides, denn mit einem Wirkungsgrad von 90 % steht die Wasserkraft an der Spitze der Energieformen. Und das absolut umweltfreundlich, zuverlässig und CO₂-neutral. Perfekt! Ob Laufwasserkraftwerk oder Gezeitenkraftwerk: Die Kraft des Wassers wird heute auf unterschiedlichste Weise genutzt.
Aber: Das Bundesamt für Umwelt schätzt, dass die Wasserkraft durch den Klimawandel an Effizienz verlieren könnte. 5 % in den kommenden Jahren, langfristig sogar bis zu 15 % – so Schätzungen. Ein Teufelskreis, denn weniger Wasserkraft bedeutet gleichzeitig eine schlechtere Bekämpfung des Klimawandels und ein schnellerer Klimawandel bedeutet weniger Wasserkraft. Umso wichtiger, unnachgiebig in die Energiewende zu investieren!
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