Wasserkraft

Bereits die Chinesen nutzten vor etwa 5000 Jahren die Wasserkraft. Auch die Kulturen am Euphrat und Tigris, Nil sowie am Indus haben bereits vor etwa 3500 Jahren mit Wasserkraft angetriebene Maschinen zur Bewässerung ihrer Felder eingesetzt. Auch die Römer und Griechen verwendeten das Wasser als Antriebsmittel auf unterschiedliche Art und Weise. Die "Archimedische Schraube", die bis heute benutzt wird, wurde bereits 200 Jahre v. Chr. erfunden und um 900 n. Chr. wurde erstmals ein unterschlächtiges Wasserrad eingesetzt. Etwa 500 Jahre später gab es das oberschlächtige Wasserrad, bei dem zusätzlich zur Wasserenergie auch das Gewicht genutzt wurde. Die Entwicklungen gingen ständig weiter und der Franzose Benoit Fourneyron erfand einen Vorläufer der Wasserturbine. Nach der Erfindung des elektrodynamischen Generators durch Werner von Siemens war die Umwandlung der Wasserkraft in Strom möglich und das erste Wasserkraftwerk entstand um 1880 in England und um 1896 an den Niagarafällen in den USA.

In der Schweiz und in Österreich leisten die Wasserkraftwerke weit über 50 Prozent der Stromerzeugung. In Deutschland gibt es etwa 7300 Anlagen, die ungefähr 3,5 Prozent der Stromerzeugung herstellen. Ausgebaut werden können die Wasserkraftwerke in vielen Ländern der Dritten Welt, wohingegen es in Europa mittlerweile problematisch wird.

Mit Hydroenergie oder Wasserkraft wird die Umwandlung der kinetischen oder potentiellen Energie von Wasser über eine oder mehrere Turbinen in eine Rotationsenergie bezeichnet. Früher verwendeten die Mühlen diese mechanische Energie direkt. Allerdings wird heute zu der Stromerzeugung in Wasserkraftwerken eine weitere Umwandlung über Generatoren genutzt.

Wasserkraftwerk

Zu den erneuerbaren oder regenerativen Energiequellen gehört somit auch die Wasserkraft. Dabei wird aufgrund des Schwerefelds der Erde die potentielle Energie des Wassers, die durch die kinetische Energie und Reibung am Untergrund sowie Wärme beim Nach-unten-Fließen entsteht, ausgenutzt. Dadurch, dass das Wasser durch Regen, Verdunstung und Wind in Hochlagen gebracht wird, kann es beim Abfließen von den Menschen verwendet werden. Es gibt viele verschiedene Wasserkraftanlagen. Die Einteilung der Wasserkraftwerke erfolgt nach diversen Typen u.a. nach Nutzfallhöhe (Nieder-, Mittel- und Hochdruckanlage, Fallhöhe von <15 bis >50 Metern), nach Energiewirtschaft (Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerk), nach der installierten Leistung (Klein-, mittelgroße sowie Großwasserkraftanlagen von <1MW bis >100 MW), der Topographie (Unter-, Mittel- und Oberlauf, Fluss-, Laufwasser- und Speicher- sowie Speicherkraftwerk) sowie der Betriebsweise u.a. Inselbetrieb oder Verbundbetrieb.

Der Vorteil der Wasserkraftwerke besteht darin, dass nur geringe Gebühren für die Ressourcen anfallen, da sie fast unbegrenzt zur Verfügung stehen. Die Betriebskosten sind wesentlich geringer als die Anlagekosten. Außerdem kann mit Wasserkraftwerken fast ständig Strom produziert werden, da die Wasserkraft nicht direkt vom Wetter abhängig ist. Zu den weiteren Vorteilen zählen, dass Wasser zu den regenerativen Rohstoffen zählt und die fossilen Energieressourcen u.a. Erdöl, Erdgas und Kohle geschont werden. Das Wasser ist unabhängig von konventionellen Energieträgern, es ist CO2-neutral, nach dem Ende der Betriebszeit sind die Anlageteile recyclebar, die Speicherseen werden als Trinkwasserreservat genutzt und es ist gleichzeitig ein Hochwasserschutz für die Anlieger. Zu den vielen Nachteilen zählen u.a. dass der Grundwasserspiegel abnehmen kann, große Talsperren können das Klima beeinflussen sowie verändern und es werden große Gebiete beim Anlegen eines Stauraums überflutet.

Bei einem Laufwasserkraftwerk oder Flusskraftwerk handelt es sich um Wasserkraftwerk, welches keine Speichermöglichkeit für das Betriebswasser hat. Die Laufwasserkraftwerke sind immer imstande rund um die Uhr Strom zu erzeugen und können deshalb gut zur Abdeckung der Grundlast verwendet werden. Durch geringe Betriebskosten und eine gute Turbinenauslastung erzeugen die Laufwasserkraftwerke kostengünstigen Strom. Es gibt in Deutschland Laufwasserkraftwerke, die Strom von 18,6 TWh innerhalb von 4430 Stunden produzieren können. Allerdings wird die Leistung dieser Laufkraftwerke durch Niedrig- oder Hochwasser verringert. Beim Laufwasserkraftwerk wird das Flusswasser durch eine Wasserturbine gelenkt. Die potenzielle Energie des Wassers wird dabei in eine mechanische Drehbewegung umgewandelt. Durch diese Drehbewegung wird ein Generator angetrieben, der die mechanische Energie in Strom umwandelt. Der Durchfluss des Wassers wird mit Hilfe einer Wehranlage, die das Flusswasser staut, erhöht. So entsteht ein Rückstauraum oder Stausee. Das Arbeitsvermögen und die installierte Leistung des Laufwasserkraftwerks werden durch die Fallhöhe zwischen Ober- und Unterwasser sowie der Ausbauwassermenge bestimmt.

Bei einem Wasserspeicherkraftwerk kann mit Hilfe der Wasserkraft die elektrische Energie als Lageenergie des Oberflächenwassers gespeichert werden. Dabei wird, sobald ein Wasserüberschuss besteht, das überschüssige Wasser zu einem Stausee aufgestaut und es kann, sollte ein erhöhter Energiebedarf bestehen, über ein Wasserkraftwerk abgerufen werden.

Eine andere Form des Wasserkraftwerks ist das Wellenkraftwerk. Bei diesem Wellenkraftwerk werden die Energien der Meereswellen genutzt, um elektrischen Strom herzustellen. Die Stromerzeugung mit Hilfe der Wellenkraft gehört zu den Erneuerbaren Energien und befindet sich noch in der Entwicklungsphase. Ein Wellenkraftwerk auf der schottischen Insel Islay speist bereits Strom in das kommerzielle Stromnetz ein. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Wellenkraft zu nutzen und zwar mit Hilfe der Pneumatischen Kammer. Hierbei wird die ein- sowie die ausströmende Luft durch einen Windgenerator in einer Kammer genutzt, in der sich der Wasserspiegel hebt und senkt. Es ist aber mit der so genannten Seeschlange, also der Relativbewegung vieler Schwimmkörper zueinander, auch möglich, ein Wellenkraftwerk zu bauen. Hydraulische Systeme setzen die Bewegungen um und treiben einen Generator an. Beim Wave Dragon Prinzip wird die potenzielle Energie auflaufender Wellen und Wave Roller werden die Bodenwellen genutzt. Auch zum Antreiben eines Generators können Tore, bewegliche Platten oder Flossen verwendet werden.

Weltweit gibt es mehrere Gezeitenkraftwerke, die mit Hilfe des Tidenhubs des Meeres die potenzielle sowie kinetische Energie in Strom umwandeln. Dabei entnehmen diese Gezeitenkraftwerke ihre Energie letztendlich der Erddrehung unter Ausnutzung der Anziehungskraft durch den Mond und Sonne auf die Erde. Dabei werden die Strömungsbewegungen des Meeres minimal abgebremst, welches mit Hilfe der Stauung der auf- sowie ablaufenden Strömung geschieht. Dabei wird die im gestauten Wasser enthaltene mögliche Energie mit Hilfe von Turbinen, die so generierte Rotationsenergie über Generatoren in Strom verwandelt und genutzt. Allerdings sind diese Gezeitenkraftwerke ökologisch gesehen nicht unproblematisch. Sie beeinflussen Flora und Fauna in den Küstengewässern. Durch die Gezeitenkraftwerke werden die Phasen der Ökosysteme, die im natürlichen 12-Stunden-Zyklus entstanden sind, verschoben. Dadurch werden die Wanderungen der Wassertiere in den Buchten sowie in die einmündenden Flüsse stark behindert.

Heute geht man vermehrt dazu über sogenannte "In-Flow-Gezeitenkraftwerke" zu bauen. Besser bekannt sind diese Wasserkraftwerke unter dem Namen Meeresströmungskraftwerke. Bei diesen Meeresströmungskraftwerken wird kein Stausee errichtet, sondern es steht eine Turbine, die einer Windturbine ähnelt, frei an einem Mast in der Strömung. Allerdings wird zurzeit noch untersucht, ob die Rotation des Rotors wirklich, wie man annimmt, ungefährlich für die Meerstiere und Fische ist. Die Meeresströmungskraftwerke besitzen einige Vorteile, sie sind u.a. nicht wetterabhängig, wie z.B. Solar- oder Windkraftanlagen. Bereits niedrige Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers reichen vollkommen, da das Wasser wesentlich dichter als Luft ist. Außerdem werden die Meeresströmungskraftwerke komplett in Wasser getaucht, so dass keine sichtbare Veränderung der Landschaft stattfindet. Es hat fernerhin den Vorteil, dass keine Korrosion durch Luftzufuhr entstehen kann und die Wasserströmung nicht mit Luft vermischt wird. Zusätzlich ist der Betrieb der Meeresströmungsturbinen ähnlich wie die Solarkraftwerke sowie die Windkraftanlagen umweltverträglich, da sie keine Abfallstoffe u.a. Kohlenstoffdioxid emittieren. Allerdings besitzen die Meeresströmungskraftwerke auch einige Nachteile und dazu zählen u.a. eine Unwirtschaftlichkeit gegenüber anderer Techniken der Erneuerbaren Energien, die Wasserhöhe über der Turbine muss ausreichend hoch sein, um den Fischfang zu ermöglichen und mögliche Schiffsbewegungen müssen berücksichtigt werden. Der Bau solcher Anlagen ist aufgrund des Materials und vom Aufwand her fordernd, und die Wartung ist aufwändig. Auch der Lärm der Turbinen breitet sich unter dem Wasser aus.

Es gibt eine Versuchsanlage mit einem Meereswärmekraftwerk, bei dem die elektrische Energie aus den Temperaturunterschieden der warmen sowie kalten Wassermassen gewonnen wird. In Norwegen steht der Prototyp eines Osmosekraftwerks, bei dem der Salzgehalt zwischen Süßwasser und Meerwasser benutzt wird, um daraus Energie zu gewinnen und elektrische Energie zu erzeugen.

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