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Energie aus Wasserkraft#

Wasser ist Leben!#


Von

Werner Gobiet


Wasser ist der wichtigste Rohstoff für den Menschen und die Natur. Ohne Wasser gibt es kein Leben und kein Wachstum. Auch wenn dreiviertel der Erde mit Wasser bedeckt ist, müssen wir mit dem Wasser sehr sorgsam umgehen und es möglichst rein erhalten, denn nur etwa 1% davon ist Trinkwasser.

Mit dem Wasserkreislauf, der durch die Sonnenenergie angetrieben wird, hat uns die Natur einen der größten und nachhaltigen Energielieferanten geschenkt. Deshalb sollen wir das Wasser auch intensiv nutzen, damit wir nicht durch andere Technologien zur Energieerzeugung wichtige Ressourcen verbrauchen müssen und dadurch die Umwelt beeinträchtigen. Auch wenn oft gegen die Wasserkraftwerke in der Öffentlichkeit protestiert wird – ja es gibt auch „schwarze Schafe“ – so sollen wir doch bedenken, dass jede erzeugte Gigawattstunde (GWh) elektrischer Strom rund 730 Tonnen CO2 erspart, das sind bei z.B. bei einem Murkraftwerk ungefähr 60.000 Tonnen CO2 oder der Schadstoffausstoß von rund 36.000 Personenkraftwagen pro Jahr.

Schon früh wurde erkannte, dass aus dem fließenden Wasser Energie gewonnen werden kann.

Wasserräder:#

Schon vor 3500 Jahren, nimmt man an, wurden in Mesopotamien (heute Irak) Wasserschöpfrädern zur Bewässerung von Ackerland eingesetzt, und dies ist auch aus Indien und China bekannt (Abb. 2). Die alten Griechen und Römer haben vor 2000 Jahren das Wasserrad weiterentwickelt. Sie konnten nun die Wasserräder auch zum Antrieb von Mühlen mit schweren Mühlsteinen einsetzen.

Abb. 1: Arten der Wasserräder und Einsatzbereiche
Abb. 1: Arten der Wasserräder und Einsatzbereiche.
Foto: Bega GmbH. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0

Wenn das Wasserrad nur durch die Strömung angetrieben wird, wird es als unterschlächtig bezeichnet (Abb.1). Hier drück das fließende Wasser auf die unteren Schaufeln. Wenn das Wasser aufgestaut wird und seitlich auf die unteren Schaufeln geleitet wird, dann sprechen wir von einem mittelschlächtigen Wasserrad.

Abb. 2: Unterschlächtiges Schöpfwasserrad
Abb. 2: Unterschlächtiges Schöpfwasserrad
https://pixabay.com, unter PD

Beim oberschlächtigen Wasserrad sind am Radumfang Kästen (Schaufeln) angebracht, und das Wasser wird von oben zugeführt, wobei das Gewicht des Wassers das Rad antreibt (Abb. 3). Je größer das Wasserrad ist, desto größerer muss der Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser sein; aber es genügen dann geringe Wassermengen, um das Wasserrad anzutreiben.

Abb. 3: Oberschlächtiges Wasserrad
Abb. 3: Oberschlächtiges Wasserrad
https://pixabay.com, unter PD

Mit den Römern kam diese Technik auch nach Mitteleuropa. Im 8. Jahrhundert gelang es mit der sogenannten Daumenwelle die Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung bzw. Auf- und Abbewegung umzuwandeln. Dadurch konnten die Wasserräder zum Schleifen, Sägen, für Schmiedehämmer und sogar für mechanische Webstühle eingesetzt werden.

1769 gelang es dem englischen Bauingenieur John Smeaton ein Wasserrad aus Gusseisen herzustellen. Diese Wasserräder waren um ein Vielfaches belastbarer und ermöglichten, Fabriken an Wasserläufen aufzubauen. Mit der Erfindung der Dampfmaschine wurde das Wasserrad teilweise verdrängt, insbesondere im 19. Jahrhundert, da von da an die Kohle industriell gefördert und so immer billiger wurde ,und die Fabriken nicht unbedingt von Wasserläufen anhängig waren.

Wasserschnecken:#

Eine Wasserschnecke ist eine relativ neue und kostengünstige Möglichkeit, ein Kleinkraftwerk zu betreiben. Die Schnecke benötigt nur einen Grobrechen, da Schwemmteile und Fische problemlos die Schnecke passieren können. Die Wasserschnecke kann bei schwankenden Wasserständen mit einem hohen Wirkungsgrad (bis 92 %) betrieben werden (Abb. 4). Eine Wasserschnecke kann auch als sehr verlässliche Pumpe mit hoher Wirksamkeit eingesetzt werden. Auch bei feststoffbeladenen Flüssigkeiten, wie z.B. in Kläranlagen, gibt es keine Probleme. Außerdem reichern Wasserschnecken das Wasser mit Sauerstoff an.
Abb. 4: Wasserschnecke
Abb. 4: Wasserschnecke
Foto: Andritz Atro https://www.andritz.com/hy-andritz_hydrodynamic-screws-de.pdf

Wasser-Turbinen:#

Eine Wasser-Turbine wandelt kinetische/potentielle Energie des Wassers in Rotationsenergie um. 1827 entwickelte der französische Ingenieur Benoit Fourneyron die erste funktionsfähige Wasser-Turbine. Er führte das Wasser von oben auf ein propellerartiges Rad, welches beim Durchfließen in Drehung versetzt wird. Anfänglich wurde eine Leistung von sechs PS erreicht, welche sich bis zu 60 PS mit einem Wirkungsgrad bis zu 80 % steigerte (Abb. 5).

Abb. 5: Benoit Fourmeyron Turbine
Abb. 5: Benoit Fourmeyron Turbine
Foto: Meyer´s Konversationslexikon (1888) Aus: Wikicommons, unter PD

Francis-Turbine: #

Der amerikanische Ingenieur James B. Francis entwickelte 1849 die nach ihm benannte Francis-Turbine. Das Oberwasser wird über ein schneckenförmiges Rohr nach innen auf ein Schaufelrad geleitet und tritt im Zentrum wieder aus. Mit Lamellen wird der Zufluss zum Laufrad gesteuert. Der Wirkungsgrad einer neueren Francis-Turbine beträgt bis zu 90 %. Der Einsatzbereich liegt bei mittleren Fallhöhen (20 bis 200 m Fallhöhe) und mittlerem Durchfluss (3 bis 100 m3/s und mehr). Die Francis-Turbine wird heute am häufigsten eingesetzt und kann auch als Pumpe bei Pumpspeicherwerken zur hydraulischen Energiespeicherung eingesetzt werden (Abb. 6, D [1]).

Abb. 6: Einbau des Laufrads einer großen Francis-Turbine
Abb. 6: Einbau des Laufrads einer großen Francis-Turbine
Foto: U.S. Bureau of Reclamation. Aus: Wikicommons, unter PD

Elektrischer Strom aus Wasser:#

Bis ungefähr 1880 wurden Turbinen nur für den Antrieb von Maschinen verwendet. Schon 1832 haben Hippolyte Pixii auf Anregung von Ampére, Michael Faraday, Salvatore Dal Negro und Carl Friedrich Gauß an Geräten experimentiert, mit welchen elektrischer Strom erzeugt werden kann.

Im Jahr 1866 erfand Werner von Siemens den elektrodynamischen Generator, und somit konnte mit Hilfe der Wasserkraft elektrischer Strom in größeren Mengen erzeugt werden: Das erste Wasserkraftwerk für die Stromerzeugung wurde in Nothumberland in England 1880 und 1895 das erste Großkraftwerk an den Niagarafällen in den USA errichtet (Abb. 7).

Abb. 7: Schema eines vierpoligen Wechselstromgenerators
Abb. 7: Schema eines vierpoligen Wechselstromgenerators
Foto: ölKuntoff. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 2.0

Pelton-Turbine:#

1879 erfand der amerikanische Ingenieur Lester Pelton die Pelton-Turbine, die mit einem oder mehreren Wasserstrahlen angetrieben wird. Diese Turbine ist für geringe Wassermengen (bis 10 m3/s und mehr), hohe Fallhöhe (100 bis 1200 m) und besonders für Speicherkraftwerke zur Spitzenstromerzeugung geeignet. Das Laufrad besteht aus bis zu 40 Halbschaufeln (Bechern) und wird von bis zu sechs Düsen mit einem scharfen Wasserstrahlen bis zu 200 bar Druck angetrieben, wobei die Geschwindigkeit des Wasserstahls bis zu 500 km/h und das Laufrad bis zu 3.000 Umdrehungen pro Minute erreichen kann. Die potenzielle Energie des Wassers wird in kinetische Energie umgewandelt. Wenn die Geschwindigkeit des Bechers halb so groß ist wie die des Wasserstahls, dann liegt der Wirkungsgrad zwischen 85 und 90 % (Abb. 8 u. 9, D [2]).
Abb. 8: Zwei Laufräder einer Pelton-Turbine werden eingebaut, rechts davon ist der Generator situiert
Abb. 8: Zwei Laufräder einer Pelton-Turbine werden eingebaut, rechts davon ist der Generator situiert
Foto: Voith Siemens Hydro Power. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0
Abb. 9: 6-strahlige Pelton-Turbine
Abb. 9: 6-strahlige Pelton-Turbine
Foto: Voith Siemens Hydro Power Generation. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0

Kaplan-Turbine:#

Der Österreicher Viktor Kaplan meldete 1913, die von ihm entwickelte Turbine als Patent an („Schaufelregelung für schnelllaufende Kreiselmaschinen mit Leitvorrichtung“). Die Turbine ist für geringe Fallhöhen von 1 m bis 40 m und große Wassermengen (bis 100 m3/s und mehr) geeignet. Der Wirkungsgrad liegt je nach Bauart zwischen 80 und 95 Prozent. Die Kaplan-Turbine zeichnet sich durch die verstellbaren Leitschaufeln und Laufradschaufeln aus. Mit dieser Regulierung kann die Turbine auf die jeweilige Wassermenge und Fallhöhe angepasst und somit ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Eine Kaplan-Turbine kann je nach baulichen Gegebenheiten vertikal, horizontal als Rohrturbine oder schräg bei Flusskraftwerken (Laufkraftwerken) eingebaut werden (Abb. 10). Eine Rohrturbine wird bei einer geringen Fallhöhe horizontal eingebaut, wobei der Generator eingekapselt ist (Abb. 11, D [3]).
ABB. 10: Senkrecht eingebaute Kaplanturbine
ABB. 10: Senkrecht eingebaute Kaplanturbine.
Foto: Voith Hydro Power Generation. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0
Abb. 11: Kaplan-Rohrturbine als Modell für das Kraftwerk Ybbs-Persenbeug
Abb. 11: Kaplan-Rohrturbine als Modell für das Kraftwerk Ybbs-Persenbeug: 1 Laufradflügel, 2 Leitschaufel, 3 Leitradregulierung, 4 Stützschaufel, 5 Turbinenwelle, 6 Generator, 7 Einstiegsschacht
Foto: Karl Gruber (retouch Jahobr). Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 4.0

Einsatzbereiche der Wasser-Turbinen:#

Es gibt neben den drei Turbinentypen (Francis-, Pelton- und Kaplan-Turbinen) eine Reihe von Turbinen, die eher eine Abwandlung dieser drei Turbinentypen sind. Wenn die Wassermenge für eine bestimmte Turbine zu groß ist, dann werden mehre Turbinen nebeneinander eingesetzt. Dies hat auch den Vorteil, dass bei Flüssen, die z.B. jahreszeitlich verschiedene Wassermengen führen, bei Niederwasser einzelne Turbinen still gelegt werden können und so einen optimalen Betrieb der anderen Turbinen ermöglichen. Der Einsatzbereich der einzelnen Turbinenarten hängt von der Wassermenge und von der Fallhöhe ab (Abb. 12).

Abb. 12: Einsatzbereiche der Turbinen: Durchflussmenge – Fallhöhe - Leistung
Abb. 12: Einsatzbereiche der Turbinen: Durchflussmenge – Fallhöhe - Leistung.
Foto: Name unbekannt. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0

Elektrischer Generator:#

Der elektrische Generator wandelt Bewegungs- in elektrische Energie um. Der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes hängt auch davon ab, wie es gelingt , die Rotationsenergie der Wasserturbine zum Generator zu bringen. Deshalb wird, wenn es irgendwie möglich ist, die Turbinenwelle direkt mit der Generatorwelle verbunden. Der Generator wird dann in der Regel über oder neben der Turbine im Trockenen (Abb. 11, 13) oder abgekapselt hinter oder vor der Turbine im Wasser situiert. Die Turbine und der Generator müssen aufeinander abgestimmt werden, damit beide ein optimales Ergebnis liefern.

Abb. 13: Anordnung des Generators über der Wasserturbine
Abb. 13: Anordnung des Generators über der Wasserturbine.
Foto: Kirsch. Aus: Wikicommons, unter PD

Wasserkraftwerke:#

Kraftwerkstypen:#

  • Laufkraftwerk
  • Speicherkraftwerk
  • Pumpspeicherkraftwerk
  • Wärmekraftwerk
  • Windkraftwerk

Abb. 14: Schema eines Laufkraftwerkes
Abb. 14: Schema eines Laufkraftwerkes.
Foto: Tomia. Aus: Wikicommons, unter CC BY 2.0

Die Laufkraftwerke decken den Großteil des elektrischen Strombedarfs, die sogenannte Grundlast ab. Sie nützen das natürliche Gefälle eines Fließgewässers und liefern meist ohne viel Schwankungen kontinuierlich Strom. Laufkraftwerke werden deshalb an Flüssen gebaut (Abb. 14, 15). Die Wehranlage dient meist nur zum Anheben des Wasserspiegel oberhalb der Wehranlage (Oberwassers), um die notwendige Fallhöhe von 6 bis 12 m zum Antrieb der Turbinen zu erreichen. Da das Kraftwerk nur bei maximaler Stauhöhe optimal läuft, bietet es fast keinen Hochwasserschutz. Bei extremem Hochwasser müssen sogar die Wehrfelder geöffnet werden. Dann steigt aber der Unterwasserspiegel so stark an, die Fallhöhe aber wird zu gering und die Turbinen müssen abgestellt werden.

Abb. 15: Visualisierung des Murkraftwerks Graz
Abb. 15: Visualisierung des Murkraftwerks Graz (Entwurf Pittino-Ortner, Graz)

Das Speicherkraftwerk speichert das anfallende Wasser für einen späteren Zeitpunkt zur Erzeugung von Strom. Es gibt Tages-, Wochen- und Jahresspeicher. Bei Tagesspeicherwerken wird das überflüssige Wasser in der Nacht (bei Schwachlast) aufgestaut und steht nun an Wochentagen für die zusätzliche Stromerzeugung zur Verfügung. Bei Wochenspeicherwerken wird zusätzlich das Wasser zu den Schwachlastzeiten an Wochenenden gestaut. Bei Jahresspeicherwerken, welche meist im Gebirge errichtet werden, wird das Wasser im Frühjahr, Sommer und Herbst in Talsperren gesammelt und im Winter, wenn der Schnee den Zufluss des Wassers einschränkt, zum Erzeugen des Stroms, meist zur Abdeckung der Spitzenlast, eingesetzt. Mit Rohrleitungen wird das Wasser mit hoher Geschwindigkeit (mehr als 100 km/h) in das bis 1200 m tiefer liegende Krafthaus mit den Turbinen und Generatoren geleitet.

Abb. 16: Schematische Darstellung eines Pumpspeicherwerkes
Abb. 16: Schematische Darstellung eines Pumpspeicherwerkes
Foto: Funkjoker23. Aus: Wikicommons, unter PD

Bei Pumpspeicherwerken wird bei (billigem) Überschussstrom Wasser in einen höher gelegenen Speicher gepumpt, und bei Strommangel wird das Wasser wieder zur Abdeckung der Spitzenlast im Stromnetz verwendet. Dieser Strom kann wesentlich teurer verkauft werden, wobei die Anlage rasch (zwischen 1 bis 3 Minuten) hochgefahren wird und die volle Leistung erbringen kann. Denn große Strommengen können nicht direkt gespeichert werden (Abb. 16, 17).

Abb. 17: Pumpspeicherwerk Lünersee
Abb. 17: Pumpspeicherwerk Lünersee
Foto: © Boehringer Friedrich/TU Graz Pressearchiv

Die erste große reversible Pumpturbine wurde von der Firma Voith 1937 für Pedreira in Brasilien geliefert. In Österreich werden mehr als 13 Pumpspeicherkraftwerke betrieben z.B. Malta, Limberg, Kaprun, Lünerseewerk, Kühtai u.a.. Bei Wärmekraftwerken werden die Turbinen in der Regel mit Wasserdampf betrieben, wobei der Wasserdampf mittels verschiedener Brennstoffe erzeugt wird: Fossile Brennstoffe, wie Stein- und Braunkohle, Erdöl, Erdgas und Methanhydrat, sowie nukleare Energiequellen und Biomasse. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 30 bis 45 %; durch Auskoppelung von Fernwärme (Kraft-Wärme-Koppelung) kann ein Nutzungsgrad von 60 bis 70 % erreichen werden (Abb. 18).

Abb. 18: Einbau einer Dampfturbine
Abb. 18: Einbau einer Dampfturbine
Foto: Siemens Pressebild. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0

Windkraftwerk: Die Windenergie treibt das Windrad an, wobei die Welle des Windrades direkt mit dem Generator verbunden ist und die Rotationsbewegung des Windrades in elektrischen Strom umgewandelt wird (Abb. 19).

Abb. 19 : System einer Windkraftanlage
Abb. 19 : System einer Windkraftanlage
Foto: Arne Nordmann. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0

Andere Kraftwerke zur Stromerzeugung: #

  • Gezeitenkraftwerk (D [4])
  • Wellenkraftwerk (D [5])
  • Strömungskraftwerk (D [6])
  • Solarkraftwerk
  • Geothermiekraftwerk
  • sowie Batterie-, Druckluft- und Schwungrad-Speicherkraftwerk


Die größten Stromproduzenten aus Wasserkraft sind weltweit (Abb. 20):

LandJährliche Produktion (TWh)Installierte Kapazität (GW)KapazitätsfaktorAnteil an gesamter
Stromproduktion
in jenem Land in %
Volksrepublik China652,1196,7900,3722,25
Kanada369,588,9740,5961,12
Brasilien363,869,0800,5685,56
Vereinigte Staaten250,679,5110,425,74
Russland167,045,0000,4217,64
Norwegen140,527,5280,4998,25
Indien115,633,6000,4315,80
Venezuela86,014,6220,6769,20
Japan69,227,2290,377,21
Schweden65,516,2090,4644,34
Abb. 20: Die größten Wasserkraft-Produzenten (2009)
Quelle: Wikipedia

Norwegen produziert fast 100 % des Strombedarfs aus Wasserkraft, Brasilien immerhin noch 86 %. Eines der größten Wasserkraftwerke der Welt liegt in Itaipú, an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay. Aus einem Stausee, der mehr als doppelt so groß ist wie der Bodensee, stürzt das Wasser aus 118 Metern Höhe durch zwanzig Rohre nach unten. Dabei wird so viel Strom erzeugt, wie ihn in derselben Zeit zwölf Atomkraftwerke bereitstellen könnten (Abb. 21).

Abb. 21: Itaipú-Staudamm zwischen Brasilien und Paraguay
Abb. 21: Itaipú-Staudamm zwischen Brasilien und Paraguay
Foto: Angelo Leithold. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0

Ein noch größeres Wasserkraftwerk, der Drei-Schluchten-Damm, wurde in China gebaut. Dort entstand durch das Anstauen des Flusses Jangtse ein 660 Kilometer langer Stausee. Der Staudamm wurde in 13 Jahren gebaut, und das Kraftwerk ging 2006 in Betrieb. Der Damm ist 185 m hoch und hat eine Länge von 2.309 m. Das Projekt ist bis heute sehr umstritten, unter anderem deshalb, weil für den Bau mehr als 1,4 Million Menschen umgesiedelt werden mussten und 13 Städte und 1500 Dörfer überflutet wurden (Abb. 22).

Abb. 22: Drei-Schluchten-Damm staut den Jangtsefluss 660 km auf.
Abb. 22: Drei-Schluchten-Damm staut den Jangtsefluss 660 km auf.
Foto: Christoph Filnkößl. Aus: Wikicommons, unter CC BY-SA 3.0

Was leistet die Wasserkraft in Österreich?#

In Österreich wurden 2014 352 größere Laufkraftwerke, 2.500 kleinere Laufkraftwerke und 112 Speicherkraftwerke betrieben. Würden diese Kraftwerke durch thermische Kraftwerke ersetzt, dann würden etwa 15,3 Millionen Tonnen CO2-Emissionen jährlich zusätzlich anfallen.

2014 wurden in Österreich ca. 65 % des heimischen Strombedarfs durch Wasserkraft abgedeckt, das sind ca. 45 Terawattstunden (TWh) Strom. Davon wurden allein durch Kleinwasserkraftwerke rund 6 TWh Strom ins Netz eingespeist.

Jedes Wasserkraftwerk greift beim Bau in die Natur ein. Aber ein sorgsam angelegter Stausee belebt die Landschaft auch und bietet der Bevölkerung einen neuen Erholungsraum.

Wasserkraft ist der wichtigste nachhaltige Energielieferant. Gehen wir daher mit dem Wasser und der daraus gewonnene Energie verantwortungsbewusst und sparsam um. Um Wasser wurden von jeher Kriege ausgefochten (z.B. der ewige Konflikt um das Wasser vom Fluss Jordan im Nahen Osten). Allerdings müssen wir uns auch vor der zerstörerischen Kraft des Hochwassers entsprechend schützen.

Wasser ist Leben, und Wasser ist kostbar!

Mehr zu Unternehmen und Beiträgen zum Thema Energie und Wasserkraft.#

Quellen#

YouTube Demonstrations-Videos:#