Wasserkraft

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Wasserkraft (auch: Hydroenergie) ist eine regenerative Energiequelle.
Der Begriff bezeichnet die Umsetzung potenzieller oder kinetischer Energie des Wassers mittels einer Wasserkraftmaschine in mechanische Arbeit.
Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Wasserkraft hauptsächlich in Mühlen genutzt.
Heute wird fast immer elektrischer Strom mit Hilfe von Generatoren erzeugt.
Mit einem Anteil von 15,58 % an der weltweiten Stromerzeugung war Wasserkraft 2011 nach der Verstromung von Kohle und Erdgas und vor der Kernenergie die drittbedeutendste Form der Stromproduktion.
== Geschichte
Die Geschichte der Wasserkraft geht weit zurück.
Historiker vermuten, dass sie in China bereits vor 5000 Jahren genutzt wurde.
Weitere alte Kulturen am Nil, Euphrat und Tigris und am Indus haben vor 3500 Jahren die ersten, durch Wasserkraft angetriebenen Maschinen in Form von Wasserschöpfrädern zur Bewässerung von Feldern eingesetzt.
Zu Zeiten der Römer und Griechen wurde Wasser dann als Antriebsmittel für Arbeitsmaschinen in vielfältiger Art und Weise genutzt.
Etwa im 2. Jahrhundert v. Chr. wurde die Archimedische Schraube erfunden, die bis heute genutzt wird.
Ab dem 9. Jahrhundert n. Chr. wurde das unterschlächtige Wasserrad eingesetzt.
Fünf Jahrhunderte später wurde das oberschlächtige Wasserrad erfunden.
Hier wird neben der Bewegungsenergie des Wassers auch seine potentielle Energie genutzt.
1767 stellte der englische Bauingenieur John Smeaton das erste Wasserrad aus Gusseisen her, was eine wesentliche Voraussetzung für die Industrielle Revolution war, da es durch seine enorm höhere Belastbarkeit größere Leistungen ermöglichte.
Das um 1826 erfundene unterschlächtige Wasserrad mit krummen Schaufeln hat etwa den doppelten Wirkungsgrad wie unterschlächtige Wasserräder mit geraden Schaufeln.
All diese Verbesserungen trugen und zur Mechanisierung, zur Industrialisierung und zum wirtschaftlichen Aufschwung bei.
Ende des 18. Jahrhunderts gab es in Europa etwa 500.000 bis 600.000 Wassermühlen, die (Getreide)-Mühlen und andere Arbeitsmaschinen antrieben.
Die durchschnittliche Leistung dieser Mühlen betrug zwischen 3 und 5 kW, die größten Anlagen hatten bis über 40 kW.
1842 entwickelte der französische Ingenieur Benoit Fourneyron den Vorläufer einer Francis-Wasserturbine.
Mit dieser Technik konnten größere Wassermengen und höhere Gefälle ausgenutzt werden, was zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Wasserrädern führte.
Als Werner von Siemens 1866 den elektrodynamischen Generator erfand, wurde die Umwandlung von Wasserkraft in elektrischen Strom möglich.
1880 wurde das erste Wasserkraftwerk im englischen Northumberland in Betrieb genommen, um das Landhaus Cragside mit Strom zu versorgen.
Am 30. September 1882 eröffnete das Wasserkraftwerk am Fox River in Appleton (Wisconsin).
Im August 1895 begann an den Niagarafällen das erste Großkraftwerk der Welt, Edward Dean Adams Power Plant, die Stromproduktion.
Der Holzstoff-Fabrikant Konrad Fischer ließ die Elektricitäts-Werke Reichenhall bauen; es nahm am 15. Mai 1890 den Betrieb auf.
Es gilt als das erste Wechselstrom-Kraftwerk in Deutschland und das erste E-Werk in Bayern.
1902 fand in Grenoble - 1914 und 1925 zusätzlich mit Ausstellung, dann in Lyon und wieder in Grenoble - der Congres de la houille blanche statt.
Die Bezeichnung "Weiße Kohle" verdeutlicht die Bedeutung, die man dieser Energiequelle beimaß.
Der Begriff leitet sich ab vom Wasser der Bergregionen, das oft weiß-schäumend zu Tal fließt.
Einen wesentlichen Schub erhielt die Wasserkraft mit der Elektrifizierung der Eisenbahnstrecken.
Elektrolokomotiven haben schon beim Anfahren das volle Drehmoment; bei Dampflokomotiven nimmt es mit wachsender Geschwindigkeit zu.
Außerdem können E-Lokomotiven bei Bergabfahrt oder beim Bremsen kinetische Energie rekuperativ in elektrischen Strom verwandeln.
Gerade in den Bergregionen, wo Wasserkraft ortsnah vorhanden ist, bauten Eisenbahngesellschaften Kraftwerke.
Die Elektrizität ist auch "die kleine Schwester der Eisenbahn" genannt worden.
== Nutzung
=== Weltweit
Wasserkraft verfügt über ein großes Potential zur Stromerzeugung, wobei die jeweiligen Potentiale abhängig von Niederschlagsmengen und topographischen bzw. geographischen Verhältnissen regional sehr stark schwanken.
Das technisch nutzbare Potential wird auf ca. 26.000 TWh pro Jahr geschätzt, von denen 21.000 TWh auch unter ökonomischen Gesichtspunkten genutzt werden könnten.
Das tatsächlich erschließbare Potential liegt bei ca. 16.000 TWh, was etwa dem weltweiten Strombedarf des Jahres 2005 entspricht.
Im Jahr 2016 waren weltweit Wasserkraftwerke mit einer kumulierten Leistung von zusammen rund 1096 GW installiert, die rund 4100 TWh elektrischer Energie produzierten.
Damit lieferte die Wasserkraft 16,6 % des Weltbedarfes an elektrischer Energie und rund 2/3 der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, die 24,5 % des Weltstrombedarfes deckten.
Dies entspricht etwas mehr als der 1,7-fachen Produktion der Kernkraftwerke, die 2012 2.346 TWh lieferten.
Gut die Hälfte der weltweiten Erzeugung findet in den fünf Staaten China, Brasilien, Kanada, USA und Russland statt.
2014 wurde davon ausgegangen, dass global betrachtet im nächsten Jahrzehnt etwa 180 GW an Wasserkraftleistung zugebaut werden, hauptsächlich in China, der Türkei, Brasilien und Indien.
=== Europa
In Deutschland waren Ende des Jahres 2006 7.300 Anlagen aktiv und leisteten 2007 zur gesamten Stromerzeugung einen Beitrag von 3,4 %.
In Österreich sind es ca. 56,6 % und in der Schweiz ca. 52,2 %.
In Deutschland decken Wasserkraftwerke derzeit ca. 4 % des deutschen Strombedarfs; 1950 waren es noch ca. 20 % gewesen.
Ursächlich für diesen Rückgang war der seit 1950 stark gestiegene Stromverbrauch, weshalb der relative Beitrag der Wasserkraft im genannten Zeitraum trotz des Neubaus von Wasserkraftwerken absank.
Unter den Mitgliedstaaten der Europäischen Union tragen Schweden, Italien und Frankreich am meisten mit Energie aus Wasserkraft bei:
Im Jahre 2011 lieferte Schweden 66 TWh, an zweiter Stelle standen Italien und Frankreich mit jeweils rund 45 TWh.
Da Wasserkraftanlagen regelbar sind und damit leicht dem Strombedarf angepasst werden können, können sie eine wichtige Ergänzung für andere nicht grundlastfähige erneuerbare Energien wie Windkraft- und Photovoltaikanlagen darstellen.
== Wasserkraftwerke
=== Klassifizierung
Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen von Wasserkraftanlagen.
Ihre Einteilung ist nicht immer ganz eindeutig und kann nach unterschiedlichen Aspekten erfolgen.
Man kann folgende Einteilungen vornehmen:
== Turbinen
=== Klassifizierung
Wie auch bei den Kraftwerkstypen, können Turbinen nach verschiedenen Aspekten differenziert werden:
Nach der Beaufschlagung (teil- oder vollbeaufschlagt), der Radform (radial, diagonal, axial), der Bauweise (senkrecht oder waagerecht zur Wellenlage) sowie der Wirkungsweise, welche das wohl gebräuchlichste Unterscheidungsmerkmal darstellt.
Demnach gibt es Gleichdruckturbinen und Überdruckturbinen.
=== Typen
Je nach Turbinentyp und Betriebspunkt besteht die Gefahr von Schäden durch Kavitation.
== Allgemeine Grundlagen
=== Energetisch
Energie tritt in verschiedenen Formen auf.
Unter Berücksichtigung der Gesetze der Thermodynamik kann Energie in Arbeit umgewandelt werden.
Für die Wasserkraftnutzung sind kinetische Energie und die potenzielle Energie entscheidend.
Wasser über dem Meeresspiegel besitzt potenzielle Energie und erfährt durch die Schwerkraft eine Beschleunigung, wodurch ein Teil der Anfangsenergie automatisch in kinetische Energie umgewandelt wird.
Diese fluidmechanische Energie wird in Wasserkraftanlagen durch Turbinen in mechanische Energie (Rotationsenergie) umgewandelt und letztlich durch Generatoren in elektrischen Strom transformiert.
Um die maximal transformierbare Energie zu bestimmen, muss eine Berechnung nach der erweiterten Bernoulli-Gleichung erfolgen, bei der sämtliche Verluste durch Turbulenzen oder durch Reibung an Anlagenteilen berücksichtigt werden.
Verluste bei der Energieumwandlung entweichen in Form von Wärme- oder Schallenergie.
Die Leistung, auch Energiefluss bezeichnet, wird von der Fallhöhe des Wassers, der Menge des Wassers, der Dichte des Wassers und vom Wirkungsgrad der Anlage beeinflusst, wobei der Gesamtwirkungsgrad sämtliche Verluste der Turbinen und des Generators beinhaltet.
Für Wasserkraftanlagen liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 80 % oder höher.
Im Vergleich zu anderen Kraftwerkstypen ist dieser Wert der größte.
Nach energiewirtschaftlichen Gesichtspunkten zählt Wasserkraft zur Primärenergie, da sie direkt aus einer natürlichen Energiequelle stammt.
=== Hydrologisch
Hydrologisch hat für die Wasserkraft der Wasserkreislauf große Bedeutung.
Er beschreibt die Bewegungen des Wassers auf regionaler und globaler Ebene.
Angetrieben durch die Strahlungsenergie der Sonne durchläuft das Wasser verschiedene Aggregatzustände.
Im Prinzip funktioniert der Kreislauf wie folgt: Wasser verdunstet aus Oberflächengewässern (Meere, Seen, Flüsse) und steigt in Form von Wasserdampf in die Atmosphäre auf.
Dort kondensiert es, worauf es vorwiegend als Regen oder Schneefall wieder auf die Erdoberfläche gelangt.
Durch topographische Bedingungen entstehen Einzugsgebiete, in denen der Niederschlag Flüsse mit Wasser anreichert.
Die von einem Fluss geführte Menge Wasser unterliegt starken Schwankungen, verursacht vor allem durch jahreszeitliche Niederschlagsschwankungen und durch klimatische und meteorologische Verhältnisse.
Der Abfluss ist ein sehr wichtiger Parameter für die Bemessung von Wasserkraftanlagen.
Vor allem sind Extremwerte zu berücksichtigen, damit z. B. bei Hochwasser keine Schäden entstehen.
Möglichst langjährige Messungen über den Abfluss eines Einzugsgebietes helfen dabei.
Nützlich dafür sind neben der Ganglinie eines Flusses die Abflussdauerlinie, die Summenlinie und die Fülllinie, die alle in einem Abfluss-Tage-Diagramm beschrieben werden.
Ob eine Wasserkraftanlage rentabel ist, ergibt sich aus den Kosten, den Mengen und den dafür erzielbaren Strompreisen (siehe auch Kosten-Nutzen-Verhältnis).
=== Rechtliches
In Deutschland beschäftigen sich das Wasserhaushaltsgesetz (WHG), das Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) und das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Wasserkraft.
=== Ökonomie
Die Kosten für eine Wasserkraftanlage setzen sich aus den Anlagen- und den Betriebskosten zusammen.
Die Anlagenkosten, auch Investitionskosten genannt, setzen sich wiederum aus allen Ausgaben für den Bau der Anlage zusammen.
Im Gegensatz zu Verbrennungskraftwerken müssen bei der Energiegewinnung aus Wasserkraft keine oder nur geringe finanzielle Mittel für die jeweilige Ressource gezahlt werden, da sie fast unbegrenzt zur Verfügung steht.
Das bedeutet, dass die Betriebskosten - mit Ausnahme von Pumpspeicherkraftwerken - bei voll funktionsfähigen Wasserkraftwerken sehr gering im Vergleich zu den Anlagenkosten ausfallen.
Die Frage der Wirtschaftlichkeit richtet sich danach, in welchem Verhältnis die Anlagen- und Betriebskosten zum Rohertrag stehen.
Insgesamt kann man sagen, dass die entscheidenden Faktoren die Anlagenkosten und die Ausnutzungsdauer sind.
Wasserkraft ist für die Energiewirtschaft zumeist grundlastfähig.
Es kann also in diesen Fällen fast ständig Strom produziert werden, wodurch eine Gewinnkalkulation mit dem im EEG festgelegten Vergütungssätzen durchgeführt werden kann.
Grundsätzlich gilt, dass Wasserkraftwerke in der Regel sehr lange Betriebsdauern aufweisen und sich über die Laufzeit sehr gut amortisieren.
== Wasserkraftnutzung und Ökologie
Obwohl die Nutzung von Wasserkraft zur Energiegewinnung meist als besonders ökologisch anerkannt wird, sind mit ihr teilweise erhebliche Eingriffe in die Natur und Landschaft verbunden.
So wurde eines der bedeutendsten Naturdenkmale am Rhein, der Kleine Laufen bei Laufenburg für das erste stromquerende Kraftwerk am Rhein gesprengt.
Das Kraftwerk ging 1914 in Betrieb.
Auch für den Rheinfall von Schaffhausen (auch Großer Laufen) wurden ab 1887 mehrfach Anstrengungen unternommen, die ungenutzt zu Tale stürzenden Wassermassen der Energiegewinnung zuzuführen; Bedenken wegen des Eingriffs in das Landschaftsbild verhinderten die Umsetzung bis heute.
Ein aktuelles Beispiel, bei dem die Energiegewinnung durch Wasserkraft gleichzeitig ein gravierender Eingriff in ein Ökosystem bedeutet, ist der Drei-Schluchten-Damm am Jangtsekiang in China.
Die für die europäischen Staaten geltende Europäische Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) definiert die Verträglichkeit von Eingriffen in heimische Fließgewässer.
Neben dem Beibehalt bzw. der Verbesserung der chemisch-biologischen Güte dieser aquatischen Lebensräume widmet sich die WRRL gezielt den morphologischen Parametern.
Als Zielzustand wurden der gute ökologische Zustand bzw. das gute ökologische Potential definiert, das bis spätestens 2027 erreicht sein soll.
Dies wirkt sich maßgeblich auf die Definition des ausbaufähigen Wasserkraftpotentials aus.
So ist die Wasserkraftnutzung nur noch unter Berücksichtigung sämtlicher ökologischer Parameter möglich, unter anderem unter Gewährleistung einer ausreichenden Restwassermenge im Gewässer.
Wasserkraftprojekte können nur unter Einhaltung dieser ökologischen Vorgaben umgesetzt werden.
Diese Forderungen schaffen ein Spannungsfeld zwischen Energiewirtschaft und Ökologie, da bestehende Anlagen technisch auf die bewilligte Einzugswassermenge abgestimmt sind und Restwasservorschreibungen mit entsprechenden energetischen und wirtschaftlichen Einbußen einhergehen.
Auch ist die Herstellung der Durchgängigkeit an bestehenden Standorten mit hohen Investitionskosten verbunden und verursacht, v. a. in der Kleinwasserkraft, oftmals wirtschaftlich kritische Situationen.
=== Vor- und Nachteile der Wasserkraft
In Stauseen entstehen Gase wie CO2 und Methan (mit 25-fachem Treibhauspotenzial wie CO2).
Die Menge hängt insbesondere vom Bewuchs vor der Stauung ab sowie dem Alter des Sees, sie ist vom Zeitpunkt der Flutung an abnehmend.
Pro Jahr werden durch die Wasserkraftnutzung weltweit ca. 48 Millionen Tonnen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid und 3 Millionen Tonnen Kohlenstoff in Form von Methan freigesetzt.
Dies sind geringe Mengen verglichen mit den gesamten durch menschliche Nutzung verursachten jährlichen Kohlenstoffemissionen (ca. 10 Mrd. Tonnen Kohlenstoff in CO2 und 400 Mio. Tonnen Kohlenstoff in Methan), womit Wasserkraftwerke global keine große Rolle als Kohlenstoffemittenten spielen.
Unter bestimmten Voraussetzungen können in einigen Regionen, zum Beispiel den Tropen, jedoch nennenswerte Mengen Kohlenstoff freigesetzt werden.
Andererseits können die großen Wasserflächen durch die Verdunstung (Effekt der Verdunstungskühlung) regional auch positiv zum Klima beitragen.
Vorteile:
Nachteile:
=== Lösungsmöglichkeiten
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Belange des Natur- und Gewässerschutzes zu achten.
Die einfachste Möglichkeit, die Natur vor Eingriffen zu schützen, besteht darin, Eingriffe zu unterlassen.
Deshalb sollten in erster Linie bestehende Wasserkraftanlagen ausgebaut werden und neue nur dort errichtet werden, wo bereits Stauanlagen vorhanden sind.
Durch neuartige technische Verbesserungen der Anlagenteile kann man eine Leistungssteigerung erreichen und gleichzeitig die ökologische Situation verbessern.
Die weitere Entwicklung besteht also im Ersatz und der Modernisierung bereits bestehender Anlagen.
Durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland wird für solche Fälle die Vergütung neuer oder modernisierter Anlagen so geregelt, dass sich der ökologische Zustand des Gewässers mit dem Bau oder der Modernisierung verbessern muss.
Außerdem muss auch der Natur- und Gewässerschutz stets beachtet werden.
Solange aber die umweltrelevanten Aspekte berücksichtigt werden, steht dem Bau neuer Wasserkraftanlagen nichts entgegen.
Durch verschiedene Gestaltungs- und Kompensationsmaßnahmen ist es möglich, die Ökologie eines Gewässers zu verbessern.
=== Kleine Wasserkraftwerke
Vielfach werden kleine Wasserkraftwerke als ökologisch verträglich angesehen.
Dabei argumentieren Befürworter so, dass Anlagen, die nach neuesten Standards und fachgerecht gebaut seien, die Gewässer nicht belasten und diese teilweise durch den Bau von Fischtreppen oder durch Begleitmaßnahmen "ökologisch aufgewertet" werden.
Kritiker wenden dagegen vielfach ein, dass Kleinwasserkraftanlagen und damit verbundene Eingriffe wie Anstau, Verbauungen oder verminderte Restwassermengen insbesondere durch ihre Vielzahl und gestreute Verteilung in einem Flussgebiet schwere kumulative Eingriffe in die betroffenen Ökosysteme darstellten.
=== Strom aus Abwasserkanälen
Einen gänzlich neuartigen Ansatz zur ökologisch weitgehend unbedenklichen Nutzung von Wasserkraft stellt der Einsatz speziell konstruierter Turbinen zur Erzeugung von Strom in Abwasserkanälen dar, bei denen sich selbst bei nachträglichem Einbau in bestehende Abwasserkanäle weder Eingriffe in das Landschaftsbild noch Beeinträchtigungen von Fischwegen ergeben.
Zudem kann durch Nutzung von Abwasserkanälen die Stromproduktion aufgrund der flächenhaften Verbreitung von Abwasserkanälen dezentral und damit nahe an potenziellen Verbrauchern erfolgen.

Klexikon (einfache Sprache):
Wasserräder nutzen das Gewicht oder die Fließgeschwindigkeit von Wasser aus und drehen sich dadurch mit großer Kraft.
Damit wurden seit über 2.000 Jahren Getreidemühlen, Sägewerke, aber auch Knochen- und Papierstampfen oder gar Schmiedehämmer sowie weitere Maschinen angetrieben, die viel Kraft brauchten.
Heute gibt es Wasserräder meist nur noch in Freilichtmuseen.
In der Industrie braucht man eine Weiterentwicklung der Wasserräder, die Turbine.
Diese treiben einen Generator an und produzieren so Energie in Form von elektrischem Strom.
== Wie entwickelte sich die Wasserkraft?
Die Wasserkraft war nicht die erste Naturkraft, welche die Menschen nutzten.
Bereits in der Steinzeit nutzten sie das Feuer.
Als nächstes kam der Wind:
Vermutlich gab es in der Antike bereits Windräder.
Sie wurden als Windmühlen genutzt.
Ganz sicher sind sich die Wissenschaftler aber nicht, wann und wo diese Erfindung gemacht wurde.
In einem dritten Schritt begannen die Menschen mit der Nutzung der Wasserkraft.
Bereits 300 Jahre vor Christus bauten die Griechen Wasserräder.
Diese pumpten Wasser aus Brunnen oder Flüssen auf die Felder, damit die Pflanzen nicht verdorrten.
Die Griechen bauten aber auch bereits Mahlsteine an Wasserräder und konnten damit Getreide zu Mehl mahlen.
Dies waren die ersten Mühlen, die ohne Menschenkraft oder Tierkraft arbeiteten.
Die Archäologen haben auch in Deutschland ein sehr altes Wasserrad gefunden.
Es stammt aus der Zeit vor der Geburt von Jesus und gehörte zu einer Mühle.
In der folgenden Zeit breiteten sich Mühlen mit Wasserrädern in ganz Europa aus.
== Wozu wurde die Wasserkraft genutzt?
Im 12. Jahrhundert waren Wasserräder weit verbreitet.
Mit ihrer Kraft mahlten die Menschen nicht nur Getreide, sondern sie pressten Öl aus, zersägten Baumstämme zu Balken und Brettern, schliffen Werkzeuge und Messer oder hämmerten Eisen zu Schmiedestahl.
Auch für die Herstellung von Papier wurden Wasserräder eingesetzt.
Stoffe wurden mit Wasserkraft behämmert, damit sie reißfester wurden oder verfilzten.
Im Bergbau trieben die Ingenieure Eimer mit Wasserkraft an, um das Erz aus der Tiefe zu holen.
== Was wurde aus den Wasserrädern?
Die Wasserräder wurden ständig weiterentwickelt.
Zudem standen sie nicht mehr frei irgendwo, sondern das Wasserrad stand in einem engen Kanal.
So konnte kein Wasser ungenutzt neben dem Wasserrad hindurchfließen.
Auch die Form der Schaufeln wurde laufend verbessert.
Auf diese Weise baute man im 19. Jahrhundert die ersten Wasserturbinen.
Es ist jedoch schwierig zu sagen, wann ein Wasserrad noch ein Wasserrad ist oder bereits eine Turbine.
Die Turbinen trieben meist einen Generator an und produzierten so Energie in Form von elektrischem Strom.