Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Die Unterscheidung von Wasserkraftwerken kann auf verschiedene Weise erfolgen. Betrachtet man das Kriterium der Fallhöhe des genutzten Wassers, unterscheidet man zwischen Niederdruckanlagen (Fallhöhe bis zu 20 m), Mitteldruckanlagen (Fallhöhe 20 – 100 m) und Hochdruckanlagen (Fallhöhe über 100 m) (BINE Informationsdienst 2004: Wasserkraft). Im Folgenden wird anhand des Kriteriums der Betriebsart unterschieden. Die bekanntesten und bisher am meisten verbreiteten Formen sind Laufwasser- und Speicherkraftwerke. Weitere Betriebsarten, die jedoch noch nicht sehr verbreitet sind, sind die Wellen- und Gezeitenkraftwerke (Quaschnig 2011: Regenerative Energiesysteme).

Laufwasser- bzw. Flusskraftwerke nutzen zur Stromerzeugung die Flussströmung, deren Schnelligkeit im Laufe der Jahreszeiten in der Regel nur relativ wenig variiert. Benötigt wird für Laufkraftwerke eine Staustufe, zum Beispiel in Form eines Wehrs oder Staudamms. Aus wirtschaftlichen Gründen werden Aufstauungen für Laufkraftwerke oft in Verbindung mit Schleusen errichtet. Mit dem so entstehenden Ober- und Unterwasser wird eine erhöhte Fließkraft erreicht, die im Maschinenhaus an der Staustufe eine oder mehrere Turbinen antreibt, in der Regel die für Fallhöhen von bis zu 80 m ausgelegten Kaplan-Turbinen. Ein Generator wandelt diese Bewegungsenergie in Strom um. Da das Volumen des Wasserkörpers die Leistung eines Laufkraftwerkes bestimmt, dienen oft die Unterläufe von Flüssen dieser Art der Wasserkraftnutzung (Quaschnig 2011: Regenerative Energiesysteme).

Die Kleinwasserkraft bezeichnet Anlagen, die mit einer geringen Leistung betrieben werden. Die Maximalleistung, die international nicht allgemein festgelegt ist, beträgt in Deutschland 1 MW. Zu den im Vorfeld beschriebenen Anlagen gibt es keine einheitliche Abgrenzung, jedoch ist der Eingriff auf den Naturhaushalt aufgrund der geringeren Größe von Kleinwasserkraftanlagen oft deutlich kleiner. Eine wichtige Anwendungsmöglichkeit von Kleinwasserkraftanlagen ist die Nutzung im Inselbetrieb. Das bedeutet, dass sie Abnehmer mit Strom versorgen können, die nicht an ein übergeordnetes Stromnetz angeschlossen sind, wie zum Beispiel Almhütten. Im Bereich der Kleinwasserkraft werden meist statt der herkömmlichen Kaplan-, Francis- oder Pelton-Turbinen  andere Energiewandler genutzt werden:

Im Gegensatz zu Laufwasserkraftwerken können Speicherkraftwerke die natürlichen Schwankungen der Wassermengen eines Gewässers ausgleichen. Durch eine Aufstauung des Flusses wird die Fallhöhe des Wasserkörpers vergrößert (Quaschnig 2011: Regenerative Energiesysteme). Oft werden Speicherkraftwerke im Gebirge angelegt, wo Schmelzwässer gesammelt und größere Fallhöhen ausgenutzt werden können. Bei Bedarf wird das Wasser aus dem Stausee abgelassen und durch eine Druckleitung zum tiefer gelegenen Maschinenhaus geleitet, in dem es eine oder mehrere Turbine antreibt. Bei Speicherkraftwerken kommen zumeist Pelton-Turbinen, die für Fallhöhen zwischen 300 und 1.800 m ausgelegt sind, zum Einsatz. Die Wasserbewegungsenergie wird, wie auch bei den Laufkraftwerken, schließlich mittels eines Generators in Strom umgewandelt. Speicherkraftwerke gelten bisher als die größten Energiespeicher. Aufgrund der zeitlich flexiblen Einsatzmöglichkeit dienen sie vor allem auch zur Deckung von erhöhtem Strombedarf, also von Spitzenlasten. Je nach Füll- und Entleerungsrhythmus werden Speicherkraftwerke in Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresspeicher unterteilt.

Eine Unterform der Speicherkraftwerke sind die Pumpspeicherkraftwerke. Diese ermöglichen es, das genutzte Wasser mithilfe von Pumpen zurück in den Stausee zu befördern und bei Bedarf erneut zur Stromproduktion einzusetzen.

Auch im Meer angesiedelt aber den täglichen Tidenhub nutzend sind die sogenannten Gezeitenkraftwerke. Um Energie zu erzeugen wird das Wasser der auf- und ablaufenden Strömung gestaut. Aus diesem Grunde wurden die bisherigen Gezeitenkraftwerke an Meeresbuchten oder Mündungen von Flüssen ins Meer erbaut. Wie auch bei den restlichen Wasserkraftformen erfolgt die eigentliche Energieerzeugung mithilfe von Turbinen und einem Generator. Aufgrund der starken ökologischen Auswirkungen eines Gezeitenkraftwerkes, der Angreifbarkeit der Turbinen durch das salzhaltige Wasser sowie die sehr hohen Investitionskosten, gibt es weltweit bisher nur wenige Anlagen (Quaschnig 2011: Regenerative Energiesysteme). Als Alternativen gelten Strömungskraftwerke, die als frei umströmte Anlagen zum einen permanent Strom produzieren können und zum anderen keine Stauung von Wasser voraussetzen. Einsetzbar sind sie in gleichmäßig hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Wassertiefen bis 25 m.

Ein Wellenkraftwerk nutzt die Energie der Meereswellen. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Techniken ist die Nutzungsmöglichkeit jedoch abhängig von der Windmenge und den dadurch gebildeten Wellenbewegungen. In den Ozeanen ist daher eine höhere Leistung erzielbar als auf Binnenmeeren.

Für die Nutzung der Wellenkraft gibt es zurzeit drei bedeutende Funktionsprinzipien:

-          Pneumatische Kammersysteme

-          Schwimmersysteme

-          TapChan-Anlagen (spitz zulaufende Kanäle)

Derzeit sind die Produktionskosten von Strom mit Wellenkraftwerken noch relativ hoch und die teilweise extremen Witterungsbedingungen auf See stellen bisher eine große Herausforderung dar, sodass der Einsatz dieser Technologie relativ beschränkt ist (Quaschnig 2011: Regenerative Energiesysteme).

Die vier am häufigsten eingesetzten Turbinen sind die Kaplan-, Francis-, Pelton- und Durchströmturbinen.

Turbinen im Vergleich (nach Jehle 2011: Bau von Wasserkraftanlagen; Quaschnig 2011: Regenerative Energiesysteme)

 

Kaplanturbine

Francis-Turbine

Pelton-Turbine

Durchströmturbine

Druckverhältnisse

Überdruck

Gleichdruck

Wirkungsgrad

80 bis 95 %

85 bis 90 %

90 bis 95 %

ca. 80 %

Fallhöhe

2 bis 70 m

2 bis 500 m

200 bis 1200 m

200 m

Durchflussmenge

Bis 300 m³/s

3 bis 700 m³/s

20 m³/s

Unter 1 m³/s

Vorwiegende Nutzung

Laufwasser-kraftwerke

Speicher- und Laufwasserkraft-werke

große Speicher-kraftwerke

Kleinere Speicher- und Laufwasserkraftwerke

Für kleine Fallhöhen bis 80 m und große Durchflussmengen eignet sich besonders die Kaplanturbine, die mit radial angeordneten, zumeist verstellbaren Leitschaufeln arbeitet. Eine Weiterentwicklung ist die Rohrturbine für sehr geringe Fallhöhen von bis zu 25 m. Die Francis-Turbine verbindet die Eigenschaften der Pelton- und Kaplanturbine zu gewissem Grad. Sie wird daher häufig eingesetzt. Die Pelton-Turbine ermöglicht die größten Fallhöhen und wird daher in großen Speicherkraftwerken eingesetzt. Durchströmturbinen, auch Ossberger Turbinen genannt, die vom Wasser quer durchströmt werden, weisen trotz schwankender Wassermengen einen konstanten Wirkungsgrad auf, haben aber nur geringe Leistung. Dadurch ist diese Form der Turbine besonders für kleine und stark schwankende Durchflüsse geeignet (Jehle 2011: Bau von Wasserkraftanlagen).


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