Wasserkraftverband Mitteldeutschland e.V.

Verschiedene Arten von Wasserkraftwerken

Unterscheidungskriterien

Nach der Betriebsweise unterscheidet man Laufwasser- und Speicherwasser-Kraftwerke. Beim Laufwasserkraftwerk wird die zur Verfügung stehende Energie des Wassers kontinuierlich, beim Speicherkraftwerk (Talsperre) nach Bedarf zur Stromerzeugung genutzt.

Man kann die Wasserkraftwerke aber auch nach der Fallhöhe unterscheiden: Im Bereich bis etwa 25m spricht man von Niederdruckkraftwerken, bis 100 m von Mitteldruckkraftwerken und über 100 m von Hochdruckkraftwerken. Im Niederdruckbereich werden außer der Pelton-Turbine alle Turbinenkonstruktionen in sehr unterschiedlichen Einbauvarianten verwendet. Im Mitteldruckbereich verwendet man hauptsächlich senkrecht angeordnete Kaplan-Turbinen oder auch – je nach Wasserdurchfluss und Fallhöhe – Francis-Turbinen. Die Hochdruckkraftwerke schließlich sind eine Domäne der Francis- und Pelton-Turbinen, wobei letztere um so eher eingesetzt werden, je höher die Fallhöhe bei relativ geringer Wassermenge ist.

Laufwasserkraftwerke

In Deutschland entfällt der weitaus größte Teil der Wasserkrafterzeugung auf Laufwasserkraftwerke. Bei diesen ist eine Steuerung des Wasserdurchflusses in Abhängigkeit vom Elektrizitätsbedarf meist nicht möglich. Sie werden deshalb in der Regel rund um die Uhr kontinuierlich betrieben und geben ihren Strom zur Deckung der Grundlast ins Netz der öffentlichen Versorgung.

In Laufwasserkraftwerken werden aufgrund des geringen Gefälles meistens Kaplanturbinen eingesetzt.

In der Vergangenheit bestand bei einigen Kraftwerken die Möglichkeit, in Zeiten geringeren Strombedarfs eine zusätzliche Wassermenge anzustauen, die bei Spitzenbedarf an die Turbinen abgegeben werden konnte und somit eine Stromreserve darstellte. Wegen des damit verbundenen Schwall- und Sunkbetriebes (Wasserstandsschwankungen)  in den Flüssen ist das aber nach den derzeit geltenden gesetzlichen Regelungen in Deutschland derzeit nicht zulässig.

Kleinwasserkraftwerke

Als Leistungsgrenze zur Unterscheidung zwischen “großen” und “kleinen” Anlagen sind 500 kW üblich. Oft handelt es sich um frühere Mühlenanlagen, die an einem Wehr oder durch Ausleitung in einen Mühlgraben ein Wasserrad hatten und in der überwiegenden Zahl heute mit Turbinen (meist Kaplan- oder Francis-Turbinen) ausgestattet sind. Alle alten Mühlenstandorte lassen sich oft viele hundert Jahre zurück in die Geschichte verfolgen, war doch die kleine Wasserkraft die Keimzelle der mechanisierten Arbeit (Mühlen, Hammer- und Pochwerke) und zu Beginn der Industrialisierung die einzige zur Verfügung stehende Energiequelle. Viele Orts- und Flurbezeichnungen (z.B. Mühlgasse, Mühlsteig) lassen heute noch auf die lange Tradition und den Ideenreichtum unserer Vorfahren schließen.

Aus diesem Grunde sind alte Wehre und Mühlgräben integraler Bestandteil unserer gewachsenen Kulturlandschaft und nicht mehr wegzudenken. Mühlgräben vergrößern das Abflussprofil und schützen vor Hochwasser, sie vergrößern den Wasserkörper und bilden dadurch wertvolle Biotope und damit Lebensraum für Tiere und Pflanzen. Durch weitere Nutzung der alten Mühlenstandorte können diese wertvollen Biotope erhalten werden. Gleichzeitig wird dem jeweiligen Betreiber eine Existenzgrundlage gegeben, die ihn gleichzeitig verpflichtet, den wertvollen Kulturraum für zukünftige Generationen zu erhalten.

Bei größeren Veränderungen an alten Stanorten ist zu überlegen, ob der erzielte Energiegewinn den Landschaftseingriff rechtfertigt. Ebenso ist bei der Stilllegung von alten Anlagen zu beachten, ob dadurch nicht wertvolle Kulturräume oder Biotope unwiederbringlich verloren gehen.

Speicherwasser-Kraftwerke

Bei Speicherwasser-Kraftwerken wird das Wasser zum Beispiel durch eine Talsperre, die einen Bach oder Fluss aufstaut in einem hoch gelegenen See gespeichert und von dort über Druckrohrleitungen oder Druckstollen den Turbinen des niedriger gelegenen Kraftwerks zugeführt. Vor der Druckrohr-Fallleitung wird ein Ausgleichsbehälter (“Wasserschloss”) gebaut. Beim Abstellen der Turbinen nimmt das Wasserschloss die vom Speicher nachdrängende Wassermenge auf und dämpft damit den Druckanstieg in Leitung und Turbine. Die Wasserschlösser werden als senkrecht auf der Druckleitung stehende Schächte ausgeführt und können große Höhen erreichen. In Speicherkraftwerken finden je nach Fallhöhe Francisturbinen oder Peltonturbinen ihre Einsatzgebiete.

Speicherwasser-Kraftwerke sind in der Regel nicht für den Dauerbetrieb gedacht, da sonst ihre Speicherbecken bald leer wären. Ihr Sinn besteht vielmehr darin, das in Wochen, Monaten und ihm jahreszeitlichen Wechsel unterschiedlich anfallende Wasser zu speichern und bei erhöhtem Strombedarf zur Vertagung zu stellen. Man nennt sie deshalb auch “Spitzenleistungs-Kraftwerke”.

Die Speicherwasser-Kraftwerke dienen vielfach gleichzeitig auch anderen Zwecken, etwa dem Hochwasserschutz, der Trinkwasserspeicherung, Bewässerungs- zwecken oder Bedürfnissen der Schifffahrt.

Pumpspeicher-Kraftwerke

Bei Pumpspeicher-Kraftwerken wird das hochgelegene Speicherbecken meist nicht durch einen natürlichen, kontinuierlichen Zufluss gefüllt. Wo es solche natürlichen Zuflüsse gibt, haben sie in der Regel nur ergänzende Funktion. Das Wasser kommt vielmehr ganz oder zum überwiegenden Teil aus einem tiefer liegenden Becken und wird mit elektrischer Energie hochgepumpt.

Das mag auf den ersten Blick widersinnig erscheinen, da die für das Hochpumpen erforderliche Energiemenge zwangsläufig größer sein muss als die elektrische Energie, die mit dem hochgepumpten Wasser hinterher erzeugt werden kann. Technisch und betriebswirtschaftlich macht diese zweimalige Energieumwandlung von elektrischem Strom in potentielle Energie und zurück aber dennoch Sinn: Sie ermöglicht es, in Zeiten geringen Strombedarfs die nicht ausgelasteten Kapazitäten der Grundlastversorgung für das Hochpumpen des Wassers zu verwenden. Wenn dann Bedarfsspitzen auftreten, werden die Turbinen eingeschaltet und verwandeln die potentielle Energie des hochgepumpten Wassers wieder in Strom. Auch finanziell lohnt sich die Sache, da auf diese Weise z.B. billiger Nachtstrom zu teurem Tagstrom verwandelt werden kann.

In der Praxis erreichen Pumpspeicher-Kraftwerke einen Wirkungsgrad von etwa 75 % (heißt: um 1 kWh zu erzeugen, müssen etwa 1,3 kWh aufgewendet werden), so dass also ein Viertel der aufgewendeten Energie verloren geht.

Gezeiten-Kraftwerke

Schon in einem Dokument aus dem 11. Jahrhundert wird eine Gezeiten-Mühle erwähnt, die im Hafen von Dover den Flut- bzw. Ebbestrom zum Antrieb ihres Mahlwerks benutzte. Besonders wirksam waren solche Mühlen in den Mündungstrichtern der Flüsse, wo die Strömung am stärksten ist.

Ebenso lässt sich heute die Energie der Gezeiten für die Gewinnung von Strom nutzen. Voraussetzung ist allerdings ein ausreichender Tidenhub, wie er z.B. im Mündungstrichter der Rance bei St. Malo in Frankreich erreicht wird. Der Unterschied zwischen höchstem und niedrigstem Wasserstand beträgt hier etwa 12 bis 13 Meter. In den sechziger Jahren sperrte man deshalb den Mündungstrichter mit einem künstlichen Damm gegen das Meer hin ab und nutzte das beträchtliche Gefälle zwischen Flut und Ebbe für ein Wasserkraftwerk, das jährlich rund 600 Millionen kWh Strom zu erzeugen vermag.

Gezeitenkraftwerke haben allerdings den Nachteil, dass sich ihre maximale Leistungsfähigkeit täglich um etwa 50 Minuten mit dem Rhythmus der Gezeiten verschiebt. Auch sind nur an wenigen Stellen der Erde die natürlichen Voraussetzungen dafür vorhanden.

Wellen-Kraftwerke

Kleinere Leistungen lassen sich auch durch Nutzung des Wellenschlags erzielen. Allerdings nur an dafür günstigen Küsten, wie sie etwa England, Norwegen, Frankreich oder Dänemark haben.

In einem Verfahren 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.

Ein anderes Verfahren nutzt das Auf und Ab der Wellen, um einen als Schwimmkörper konstruierten Kolben entsprechende Arbeit verrichten zu lassen. Es gibt noch etliche andere Varianten, zum Beispiel in Form eines Auffangtrichters, der die Wellen etliche Meter hochführt und im anschließenden Fall auf eine Turbine lenkt.