Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Ein Wasserkraftwerk nutzt die potenzielle Energie (Lageenergie) von Wasser, um daraus elektrische Energie zu gewinnen. So lässt sich Strom erzeugen, ohne dabei die Umwelt zu belasten. Wasserkraftwerke zählen zu den erneuerbaren Energiequellen. Schon vor Jahrhunderten wurden Schöpfräder verwendet, um die Bewegungsenergie des Wassers zu nutzen und beispielsweise Getreidemühlen oder Sägewerke zu betreiben. Heutzutage wird die Energie des Wassers vor allem eingesetzt, um Haushalte mit klimafreundlichem Strom aus Wasserkraft zu versorgen. Doch wie funktioniert ein Wasserkraftwerk genau? Wir geben Ihnen einen Einblick.

Inhalt:

1. Was ist Wasserkraft?
2. Aufbau & Funktionsweise eines Wasserkraftwerkes
3. Welche Wasserkraftwerk-Arten gibt es?
4. swb Weserkraftwerk Bremen
5. Im Detail: 3 wichtige Begriffe zur Wasserkraft

Wasserkraft bezeichnet die Umwandlung der Bewegungs- bzw. Lageenergie des Wassers in elektrische Energie und ist auch unter dem Begriff „Hydroenergie“ bekannt. Das bedeutet, dass durch den Einsatz von Wasserturbinen die Bewegungsenergie (kinetische Energie ), die durch die Lageenergie (potenzielle Energie ) – also den Höhenunterschied des Wasserstandes – bedingt ist, in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Strom wird in das Stromnetz eingespeist.

Wichtig: Ein Wasserkraftwerk ist nicht das Gleiche wie ein Wasserwerk. Ein Wasserkraftwerk erzeugt Strom aus Wasserkraft, während ein Wasserwerk eine Anlage zur Bereitstellung und Aufbereitung von Trinkwasser ist. Für alle, die mehr über Wasserwerke erfahren möchten, gibt es die interaktive Wasser-Entdeckungstour von swb.

Tipp: Haben Sie sich auch schon mal gefragt, ob man Leitungswasser trinken kann? Finden Sie es in unserem Artikel Ist Leitungswasser trinken gesund? heraus.

Ein Wasserkraftwerk besteht aus folgenden wichtigen Komponenten:

1. Wasserkanal/Wassereinlauf

Der Wassereinlauf ist die Zuströmung des Oberwassers in den Triebwerkskanal, an dessen Ende sich die Turbinen befinden. Vor diesem Wassereinlauf befinden sich Grob- und Feinrechen, die Fische, Vögel und Treibgut vom Triebwerkskanal fernhalten.

2. Turbinen

Der Höhenunterschied zwischen einlaufendem und auslaufendem Wasser und die damit verbundene potenzielle Energie resultiert in hoher Fließgeschwindigkeit des Wassers an den Turbinen. Die Stromerzeugung ist von der Wassermasse und dem Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser abhängig. Gezeitenabhängige Anlagen wie das Bremer Weserkraftwerk produzieren also mehr Strom, wenn Ebbe herrscht. Große Wasserkraftwerke, wie beispielsweise in Norwegen, in der Schweiz oder in China, nutzen viele parallel geschaltete und riesig dimensionierte Turbinen.

3. Generator

Die durch die Turbinen erzeugte Rotations- oder Bewegungsenergie wird an Generatoren übertragen, die diese in elektrische Energie umwandeln – ähnlich wie ein Fahrraddynamo. Die gewonnene elektrische Energie der Generatoren wird über Transformatoren an die Spannungsebene des örtlichen Verteilnetzes angepasst und darin eingespeist.

4. Wasserauslauf

Nach dem Durchfließen der Turbinenanlage wird das aufgewirbelte Wasser durch Leitapparate oder Ähnliches beruhigt und dem Unterwasser zugeführt. Es hat im Turbinenprozess keinerlei Verunreinigung erfahren. Ganz im Gegenteil: Die Rechenanlage im Einlauf sorgt dafür, dass das Wasser sauberer im Unterlauf ankommt als im Oberlauf.

Tipp: Wenn Sie sich auch dafür interessieren, wie Energie aus Wasserstoff gewonnen wird, dann können wir Ihnen unseren Beitrag zum Thema Wie funktioniert Wasserstoff-Energie? empfehlen.

1. Laufwasserkraftwerk

Laufwasserkraftwerke nutzen die Fließbewegung von Flüssen und werden vor allem an Flüssen mit einer hohen Fließgeschwindigkeit und einem großen Wasserdurchfluss gebaut. Dies kann nur an Stellen mit Höhenunterschied erfolgen, da die Fließgeschwindigkeit alleine nicht zur Energiegewinnung ausreicht. Laufwasserkraftwerke gibt es in Deutschland am meisten in flachen Regionen. Außerdem sind sie den natürlichen Schwankungen eines Flusses unterworfen, der nie das ganze Jahr lang über dieselbe Wassermenge transportiert. Daher beeinflussen Schwankungen der Wassermengen die Stromproduktion.

2. Gezeitenkraftwerk

Gezeitenkraftwerke werden in Meeresarmen oder Meerengen mit starkem Unterschied zwischen Ebbe und Flut (Tidenhub) verwendet. Eine Mauer mit integrierten Turbinen wird also je nach Gezeitensituation in die eine oder andere Richtung durchströmt. Prinzipiell funktionieren sie wie Laufwasserkraftwerke, nur dass sich die Wasserkraftwerk-Turbinen bei Flut in die eine und bei Ebbe in die andere Richtung drehen. Je stärker der Tidenhub ist, desto mehr Strom kann erzeugt werden. Somit nutzen Gezeitenkraftwerke ebenfalls entstehende Lage- und Bewegungsenergie.

3. Speicherkraftwerk

Ein Speicherkraftwerk nutzt Wasser aus einem Staudamm oder hochgelegenem See. Bei Strombedarf werden die Röhren, die nach unten in das Wasserkraftwerk führen, geöffnet. Dort trifft das Wasser auf die Turbinen, die durch den Wasserdruck angetrieben werden und die Bewegungsenergie an den Generator übertragen, der sie wiederum in elektrische Energie umwandelt. Anschließend fließt das Wasser in einen tiefer gelegenen See. Speicherkraftwerke sind somit kontrollierbar und verfügen üblicherweise über eine höhere Leistung als Laufwasserkraftwerke.

4. Pumpspeicherkraftwerk

Der große Vorteil von Pumpspeicherkraftwerken liegt in ihrer Reversibilität: Sie sind in der Lage, den kompletten Prozess der Stromgewinnung umzudrehen und elektrische Energie in Lageenergie umzuwandeln. Dafür werden die Generatoren als Motoren und die Turbinen als Pumpen genutzt. Es können also Überangebote in der Stromerzeugung genutzt werden, um Wasser wieder nach oben zu pumpen.

5. Wellenkraftwerk

Wellenkraftwerke nutzen die Bewegungsenergie der strömenden Wellen im Meer, sind aber noch in der Testphase. Eine Möglichkeit zur Nutzung dieser Wasserkraft besteht darin, dass die Welle in eine hydraulische Kammer fließt und dabei die darin befindliche Luft nach oben drückt, sodass sie sich verringert. Beim Rausfließen der Welle kann neue Luft in die Kammer strömen. Durch diesen sich verändernden Luftstand kann eine Turbine angetrieben werden, die dann Strom erzeugt.

Zusätzlich zu diesen verschiedenen Arten von Wasserkraftwerken gibt es ein weiteres Kriterium zur Unterteilung: die Fallhöhe des Wassers. Die durch den Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser entstehende Fallhöhe unterteilt alle Wasserkraftwerk-Arten zusätzlich in:

1. Niederdruckkraftwerke (bis 25 m)
2. Mitteldruckkraftwerke (bis 100 m)
3. Hochdruckkraftwerke (ab 100 m)

Wie funktioniert eigentlich das Wasserkraftwerk in Bremen? Das Bremer Weserkraftwerk in Hastedt am Weserwehr ist ein Laufwasserkraftwerk. Es ist das größte gezeitenabhängige Wasserkraftwerk in Deutschland und existiert schon seit mehr als 100 Jahren. Denn das ehemalige Weserwerk von 1911 wurde 2011 durch ein modernes, unterirdisch verlaufendes Wasserkraftwerk ersetzt. Es versorgt rund 15.000 Bremer Haushalte mit Elektrizität, indem die Energie der Weser genutzt wird. Obwohl die Weser am Weserwehr nur einen Höhenunterschied von bis zu sechs Metern hat, reicht dies aus, um bis zu 42 Millionen Kilowattstunden Strom pro Jahr zu produzieren.

Dies erfolgt in speziellen S-Rohr-Turbinen und zwei Windkraftgeneratoren mit je bis zu 5 Megawatt Leistung. Die eigens für diesen Standort entwickelte Technik erfolgt ohne bremsenden Leitapparat, mit variabler Drehzahl und einer damit verbundenen einzigartigen Effizienz. Zwei Drittel des gesamten Weserwassers fließen durch das Weserkraftwerk und werden so für die klimafreundliche Energiegewinnung genutzt. Ein aufwendiges Fischschutzsystem sorgt dafür, das sowohl auf- als auch absteigende Fische gefahrlos an den Turbinen vorbeischwimmen und ihre natürlichen Wanderungen vollziehen können.

1. Wasserkraft-Begriff: kinetische Energie

Das Wort „kinetisch“ leitet sich vom Griechischen Wort für „Bewegung“ ab. Und genau darum geht es: Die Bewegung eines Körpers beinhaltet kinetische Energie. Die Energiemenge ist abhängig von der Masse und der Geschwindigkeit des bewegten Körpers. Im Falle der Wasserkraft handelt es sich bei dem bewegten Körper um das Wasser.

2. Wasserkraft-Begriff: Lageenergie

Die Lageenergie, häufig auch potenzielle Energie oder Höhenenergie genannt, beschreibt die Energie eines Körpers, die dieser aufgrund seiner Lage und Masse hat. Hier spielt die Schwerkraft eine entscheidende Rolle. Beispiel: Der Skifahrer rauscht deshalb den Berg herunter, weil ihm auf dem Berg die höhere Lageenergie zur Verfügung steht, die er bei der Abfahrt in Bewegungsenergie umwandelt.

3. Wasserkraft-Begriff: mechanische Energie

Die Summe aus potenzieller Energie und kinetischer Energie ist die mechanische Energie eines Körpers.