Wasserkraft - eine vernachlässigte Energiequelle

Wasserkraft

Das Potential an Wasserkraft im unteren Leistungsbereich wird in Deutschland viel zu wenig genutzt. Hier könnten viele Bäche, Quellen, Trinkwasserversorgungen, Abwasserleitungen und Sammlerüberläufe zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Vorschriften aus dem Wasserrecht, Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und den Landeswassergesetzen blockieren vorhandene Minikraftwerke oder es werden keine Wasserrechte mehr erteilt. Bei uns haben wohl die Fische immer noch und wieder die höchste Priorität, Dabei ist es möglich, die Hindernisse, die durch Stauwerke entstehen, durch Fischtreppen zu umgehen.

Ein kurzer Blick in die Vergangenheit:

Wasserräder wurden in Mesopotamien schon vor 5.000 Jahren zum Schöpfen von Wasser eingesetzt. Im 2. Jahrhundert vor Chr. werden einfache Wasserräder (Stoßrad) zum Antrieb von Getreidemühlen eingesetzt. Dabei wurden die Mahlsteine ohne weitere Übertragungselemente direkt an der Welle des Wasserrades angebracht. 100 vor Chr. soll es in Westanatolien wasserbetriebene Kornmühlen gegeben haben. Große Wasserräder sind meist unterschlächtig. Die Wasserräder von Mühlen in Mitteleuropa sind meistens oberschlächtig.. Damit erzielten sie einen größeren Nutzeffekt, da nicht nur die Strömungs-, sondern auch die Fallenergie des Wassers ausgenutzt wurde. Die Wasserkraft inform von Wasserrädern setzt sich als Antriebsquelle für die verschiedensten Anwendungen im Mittelalter bis ins 19. Jahrhundert immer mehr durch. Ab 1830 werden die Wasserräder zunehmend durch leistungsstärkere Maschinen (Turbinen) ersetzt.

So ist z. B. der Anteil der Wasserkraft an der Stromerzeugung in Deutschland ca. 5 %, in Österreich ca. 70 % und in Norwegen 99 %.

Jedes Wasserkraftprojekt ist eine Einzellösung, denn die Gegebenheiten sind überall anders. Dadurch werden die Kraftwerke reletiv teuer, weil es keine Massenprodution fertiger Anlagen gibt. Zum Einen werden Inselversorgungen gewünscht und zum Anderen soll der erzeugte Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden.

Es gibt verschieden Arten von Wasserkraftwerken

Speicherkraftwerke
Pumpspeicherkraftwerke
(Druckluftspeicherkraftwerk) + (Erdgas (Methan) als Stromspeicher)
Laufwasserkraftwerke
Wellenkraftwerke
Gezeitenkraftwerke
Gletscherkraftwerke
Mini-Wasserkraftwerke

In diesen Kraftwerken werden folgende Turbinen eingesetzt:

Kaplan-Turbine (Überdruck)
Francis-Turbine (Überdruck)
Pelton-Turbine (Gleichdruck)
Durchström-Turbine (Gleichdruck)
Rohr-Turbine
Straflo- Turbine

Kleinkraftwerk - Wassermühle

Warum ist eine Technik, die sich jahrhundertelang bewährt hat, in Vergessenheit geraten? Bei diesen Bauwerken treibt fließendes Wasser ein Rad an, dass über eine Welle, z. B. Mühlsteine, drehen lässt. Vor einigen Jahrzehnten gab es auch entsprechende Wassermühlen, die ein Generator zur Stromerzeugung genutzt haben. Durch die aufkommende Technik (Dampfmaschine, Staudämme) kam diese relativ einfach Technik aus der Mode. Inzwischen wird die Entwicklung neuer Wasserräder für kleine, dezentrale Strommühlen durch die EU wieder gefördert. Leider sind die Genehmigungsverfahren solcher Anlagen sehr aufwendig, sodass viele Interesssenten abgestoßen werden. Aber auch Windmühlen haben sich, ein wenig umgebaut zu Windkraftanlagen, inzwischen wieder durchgestzt. Warum soll das bei den Wassermühlen nicht auch machbar sein?

verschiedene Wasserräder im Einsatz

Wasserrad mit integriertem Generator

Quelle: Hartmuth Drews Ing. (grad.)

Bau eines Wasserrades - Fa. Drews

Die Mühle soll wieder klappern

Wasserräder - ein unausgeschöpftes Potential - Video

Mühlen in Deutschland

Bei dem Stoßrad sind die Schaufeln horizontal in den Fluß eingetaucht. Dadurch wird nur die Bewegungsenergie des Wassers genutzt. Dieses Prinzip ist schon seit dem 2. Jahrhundert vor Chr. bekannt.

Diese ersten Wassermühlen wurden in unterschlächtiger Ausführung betrieben. Dabei schlägt das Wasser von unten an das Schaufelrad. Die Drehung des Mühlrades wird nur durch die Strömung des Wassers erreicht. Bei den einfachen Räder bestehen die Schaufeln aus Holzbretter, die inzwischen durch speziell gebogene Blechschaufeln einenbesseren Wirkungsgrad erzielen.

Bei den mittelschlächtigen (rückschlächtigen) Wasserräder wird das Wasser auf Nabenhöhe zugeführt. Sie können als Zellenrad oder Schaufelrad gebaut werden.

Bei den oberschlächtigen Mühlen wird das Wasser von oben auf das Rad zugeführt. Damit das Wasserrad betrieben werden kann, muss immer ausreichend Wasser und ein genügend großes Gefälle vorhanden sein. Das Wasserrad besteht aus wasserdichten Zellen (Holzbrettern oder Metall) und wird deswegen auch Zellenrad genannt. Das Rad wird durch die Gewichtskraft des aufgenommenen Wassers (Aufschlagwasser) in Bewegung versetzt. Wenn das Rad stillstehen soll, wird das Wasser am Rad vorbeileitet.

Quelle der Abbildungen: Tropfsteingrotte Alaunwerk Mühlwand-Reichenbach e.V.

Mini-Wasserkraftwerke

Speicherkraftwerk

Schema eines Speicherkraftwerks

Quelle: VSE

Speicherkraftwerke (Druckwasserkaftwerke) nutzen die Energie des Wassers, das in einer hoch gelegen Talsperre aufgestaut ist. Mit hohem Druck strömt das Wasser durch Rohrleitungen bzw. Druckstollen oder Druckschacht in die Turbinen (Francis- oder Pelton-Turbinen), die sich im Maschinenhaus am Fuße der Staumauer befinden.

In der Talsperre wird ein natürlich fließendes Gewässer, Gletscher- oder Schneeschmelz- bzw. Niederschlagswasser aufgestaut. Damit ein möglichst großer Höhenunterschied erreicht wird, befindet sich dieser Speicher bzw. Stausee meistens im Gebirge.

Speicherkraftwerke können in sehr kurzer Zeit in Betrieb genommen werden. Deshalb werden sie oft in Spitzenlastzeiten eingesetzt, um tages- und jahreszeitliche Schwankungen auszugleichen. Außerdem sind diese Kraftwerke schwarzstartfähig und können bei totalen Stromausfällen zum Anfahren anderer Kraftwerke eingesetzt werden.

Speicherkraftwerke - Beispiele

Pumpspeicherkraftwerk (PW)

Schema eines Pumpspeicherkraftwerkes

Quelle: VDE

Um bei einer kurzzeitig auftretenden hohen Leistungsnachfrage in einem Stromnetz (Spitzenlastzeiten) zusätzlichen Strom bereitzustellen, werden u. a. Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt. Besonders bei dem zunehmenden Einsatz von Windkraft- und Photvoltaikanlagen kann kurzfristig ein zusätzlicher Bedarf an Strom notwendig werden.

Dieses Kraftwerk besteht aus einem oberen und einem unteren Staubecken. Wenn keine hohe Stromnachfrage besteht, wird das Wasser aus dem unteren Becken in das obere gepumpt. Hierzu wird der nicht benötigte Strom aus dem Netz verwendet. Sobald wieder ein höherer Strombedarf besteht, wird durch das gespeicherte Wasser in den Kraftwerksturbinen, wie in Speicherkraftwerken, wieder Strom erzeugt.

In Goldisthal befindet sich das größte Pumpspeicherkraftwerk Deutschlands mit einer Leistung von 1.060 MW und eines der größten Europas. Es kann zu Sptzenzeiten theoretisch ganz Thüringen 8 Stunden lang mit Strom versorgen. Der Höhenunterschied zwischen der Talsohle (Unterbecken - Talsperre Goldisthal) und der Bergkuppe (Oberbecken - Farmdenkopfbecken) beträgt bis zu 300 m.

Pumpspeicherwerk Goldisthal

Quelle: Gemeinde Goldisthal

Pumpspeicherkraftwerke - Beispiel 1 + Beispiel 2

Unterflur-Pumpspeicherwerke (UPW)

Das Problem in der Zukunft wird zunehmend die Speichermöglichkeit für den Strom sein, der in flachen Gegenden aus Windenergie und Photovoltaik erzeugt wird. Hier gibt es keine hochgelegene Pumpspeicher-seen, wie z. B. in den Mittelgebirgen und im Alpenvorland. Es wird schon jetzt überlegt, den Strom nach Norwegen zu schicken, um dort die Pumpspeicherkraftwerke zu nutzen.

Unterflur-Pumpspeicherwerk

Quelle: Universität Duisburg-Essen

Eine Alternative können Pumpspeicher-werke, die sowohl nahe am Verbraucher und dem Ort der Erzeugung von Energie aus Wind- und Photovoltaik-Anlagen liegen. In Gegenden, die nicht Übertage die erforderlichen Höhenunterschiede haben, bieten sich natürliche Begebenheiten oder durch den Bergbau vorhandene Untergründe für die Erstellung von "Unterflur-Pumpspeicherwerke" (UPW) bzw. "gravitative Untertage-Energiespeicher" an.

Die Universität Duisburg-Essen erarbeitet derartige Konzepte.

Untertage Pumpspeicher
Tagebau Pumpspeicher
Aquatische Pumpspeicher

Die einfachste Variante ist die Nutzung offener Tagebaulöcher von der Braunkohleförderung. Hier könnten schon während der Abbauphase in den bis auf 400 Meter unter Gelände entstehenden Gruben speziell konfigurierte Rohrsysteme verlegt oder Hohlräume gebaut werden, die schrittweise bei der Wiederverfüllung mit Turbinen in Zuleitungsfallrohren auszustatten sind.

Konzept für Unterflur-Pumpspeicherwerke

Druckluftspeicherkraftwerk (DLSKW)

Eine Alternative zu dem Pumpspeicherkraftwerk und der "Erdgas als Stromspeicher-Technologie" ist das Druckluftspeicherkraftwerk (Luftspeicher-Kraftwerk oder Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerk). Im Gegensatz zu dem PSKW arbeitet das DLSKW (GuD-DLSKW) nicht mit Wasser, sondern mit Luft, die in unterirdische (Salzstock)Kavernen eingepresst wird. Dadurch kann auch an der Meeresküste bzw. im Flachland der von Offshore-Windparks bzw. Windkraftanlagen erzeugt Strom gespeichert werden. Außerdem wird im Gegensatz zu PSKW nur wenig oberirdische Fläche gebraucht.

Isobares GuD-Druckluftspeicherkraftwerk mit Wärmespeicher

Quelle: IWBT
Institut für Wärme- und Brennstofftechnik

Da die Wirkungsgrade der Druckluftspeicher-kraftwerke noch sehr niedrg (ca, 45 %) sind, wird diese Technologie noch weiter erforscht. Besonders die Rückgewinnung der bei der Luftkompression entstehende Wärme (adiabates Druckluftspeichersystem) kann die Wirkungsgrade erheblich erhöhen.

Da diese erdgasbefeuerten GuD-Kraftwerke auch ohne Druckluft- und Wärmespeicher Strom erzeugen, können diese schnellstartfähiges Backup-Kraftwerke (Schatten-kraftwerk) über ihre nachgeschalteten Dampfturbinen zusätzlich Strom erzeugen oder bei leegefahrenen Speichern eine gewisse Grundlast sicherstellen.

Isobares GuD-Druckluftspeicherkraftwerk mit Wärmespeicher - TU Clausthal

Energiespeicher mit Zukunft – Druckluftspeicher-Kraftwerk

Druckluftspeicherkraftwerke und ihr Potential

Erdgas (Methan) als Stromspeicher

Eine Alternative zu den Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken ist die "Erdgas als Stromspeicher-Technologie". Das Erdgasleitungsnetz bzw. die Erdgasspeicher bieten eine enorme Speicherkapazität. Hier lässt sich der zu bestimmten Zeiten überschüssige Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen (regenerative Energie - Ökostrom) in Methan (Erdgas) umwandeln und in das Leitungsnetz einspeisen. Dieses Gas kann dann in Heizungsanlagen oder Blockheizkraftwerke (BHKW) und effiziente Gaskraftwerke (GuD) oder auch Erdgasautos genutzt werden, wenn der Wind und/oder die Sonne keinen Strom bereitstellt.

Solarfuel im Energiesystem

Quelle: SolarFuel GmbH

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES haben die Grundlagen für dieses Verfahren entwickelt. Die Entwicklung zur Serienreife und Kommerzialisierung wird von der SolarFuel GmbH mit Sitz in Stuttgart exklusiv übernommen.

Bei diesem Verfahren wird im ersten Schritt durch die Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dann im zweiten Schritt wird Wasserstoff mit Kohlendioxid (CO₂) zu Methan (CH₄) umgesetzt. Das direkt in das Erdgasnetz eingespeiste Gas wird anschließend rückverstromt oder als Gasprodukt genutzt.

Aus Ökostrom wird Erdgas - SolarFuel GmbH

Erdgas als Stromspeicher - ZDFmediathek

Windstrom zu Windgas

Windstrom zu Windgas - Elektrolyseur

Quelle: Greenpeace Energy eG

In der Zukunft wird es immer dringender, Ökostromüberschüsse aus Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen sinnvoll zu verwenden bzw. zu speichern. Der Ausbau der Stromnetze wird immer mehr abgelehnt und Stromspeicher, so z. B. Pumpspeicherkraftwerke (Wasser oder Druckluft) werden immer mehr abgelehnt, Batterien können nur kurzfristig speichern. Deshalb wird erneuerbarer Strom in Wsserstoff und Methan umgewandelt. Das gesamte deutsche Erdgasnetz steht mit sehr großen Speicherkapazitäten zur Verfügung. Es kann als Speicher für Ökostrom genutzt werden, denn es ist jetzt schon 45 mal so groß ist wie die Gesamtkapazität aller heute in Deutschland bestehenden Pumpspeicherkraftwerke.

Zur Zeit liefert Greenpeace Energy eG Erdgas, dem nach und nach Wasserstoff beigemengt wird, sobald dieser verfügbar ist. Aus technischen und regulatorischen Gründen darf nur bis zu einer Obergrenze von 5 % Wasserstoff ins Gasnetz eingespeist werden. Wasserstoff, der nicht eingespeist werden kann, wir zu erdgasgleichem Methan umgewandelt. In der Zukunft können erneuerbarer Wasserstoff und erneuerbares Methan das fossile Erdgas zu 100 Prozent ersetzen. > mehr

Windgas - Greenpeace Energy eG

Laufwasserkraftwerk

Schema eines Laufwasserkraftwerkes

Quelle: VSE

Laufwasserkraftwerke arbeiten im Gegensatz zu Speicherkraft-werken mit einem geringeren Druck, da sie hauptsächlich die Kraft des fließenden Wassers in Flüssen nutzen. In den meisten Fällen wird der Fluss durch eine Wehranlage aufgestaut und das Oberwasser durch eine Turbine (vertikalachsige Kaplan-Turbinen oder horizontale Rohrturbinen) in den unteren Flußlauf (Unterwasser) geleitet. Auch der Einsatz von Wasserrädern ist möglich.

Diese Kraftwerke gibt es in verschiedenen Ausführungen.

Bei dem Ausleitungsbetrieb wird das Wasser gesammelt bzw. aufgestaut und in ein separates Maschinenhaus geleitet.
Bei dem Schwellbetrieb wird das Wasser, bevor es durch die Turbine geleitet wird, in einem Stausee mehrere Stunden gespeichert bzw. gesammelt.
Strom-Bojen werden direkt in den Fluss gesetzt. Hier sind die Turbine und der Generator direkt am Laufrad befestigt. Hierbei wird der Fluss nicht aufgestaut und ist somit umweltschonender, weil der Fluss nicht aufgestaut wird und keine aufwendige Fischtreppen notwendig sind.

Wellenkraftwerk

Schema des Wellenkraftwerkes in Wavegen

Quelle: Wolfgang Weitlaner, pressetext.austria

Die Wellenkraftwerke verwenden die Bewegungsenergie der Meereswellen und wandelt diese mit verschiedene Methoden in Strom um.

In einem offenen Betongehäuse, das zum Meer hin ausgerichtet ist, dringt Wasser in das Gehäuse ein und die vorhandene Luft wird komprimiert. Dadurch entsteht ein Überdruck, mit dem eine Windturbine angetrieben wird. Bei dem Zurückströmen des Wassers entsteht ein Unterdruck, der auch zum Antrieb der Windturbine genutzt wird.

Neuerdings werden verschiedene Schwimmkörper mit hydraulischen Systemen, die sich auf und ab bewegen und Generatoren antreiben, entwickelt bzw. eingesetzt.

Wasserkraft / Strömungsenergie

Wellenkraftwerkprojekt - WKW Team Sulingen

Verschiedene Wellenkraftwerke - Dr. Ing. Holger Lamprecht

Gezeitenkraftwerk

Scheam eines Gezeitenkraftwerkes

Quelle: Brennstoffzelle.de

Gezeitenkraftwerk Saint Malo

Quelle: Markus Gailfuss, BHKW-Infozentrum Rastatt

Gezeitenkraftwerke nutzen die Energie aus, die durch den Tidenhub von Ebbe (Niedrigwasser) und Flut (Hochwasser) vorhanden ist. Der Wasserstand ändert sich alle 6 Stunden um eine Stunde zeitversetzt und kann an der deutschen Nordseeküste 2 bis 3 m und an der europäischen Atlantikküste bis zu 12 m (teilweise 18 m) betragen. Hier liegt auch ein Nachteil dieser Stromerzeugung, weil diese nicht immer zur gleichen Zeit möglich ist. Ein weiterer Nachteil kann durch eine Verschlammung durch das Watt (Sand und Schlick) entstehen.

Diese Kraftwerke befinden sich in den Staumauern, die trichter-förmige Flussmündungen und Meeresbuchten vom Meer abtrennen. Bei Ebbe sind diese Becken leer, wobei die Durchgänge, in denen sich die Turbinen befinden, geschlossen sind. Wenn die Flut den Höchststand hat, werden die Turbinenleitungen geöffnet. Durch die Strömung werden die Turbinen angetrieben und das Becken wird gefüllt. Die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Wassers wird in mechanische Energie umgewandelt. Mit dieser Rotationsenergie wird der Generator angetrieben und erzeugt.

Die Durchgänge werden bei dem höchsten Wasserstand der Flut, wenn das Becken gefüllt ist, geschlossen. Sobald die Ebbe den Tiefststand erreicht hat, werden die Turbinenleitungen wieder geöffnet und das herausströmende Wasser treibt die Turbinen wieder an.

Gezeitenkraftwerke - DomainLoc.com GmbH

Energie aus Meeresströmung - Markus Gailfuss

Gletscherkraftwerk

Gletscherkraftwerke grundsätzlich Speicherkraftwerke, die durch das Schmelzwasser der dahinterliegenden Gletscher gespeist werden.

Wissenswertes - Wasserkraft

Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG 2009

Arten der Wasserkraftwerke

Minikraftwerke

Energie aus Wasserkraft - Referate

Geschichte der Wasserenergie

Leitfaden zur Einspeisevergütung von Strom aus Wasserkraftanlagen

Hier wird über dieses Thema diskutiert

Wasserkraft in Norwegen - Anteil 99 %

Turbinenarten

Energie - Zukunft

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