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Wasserenergie: Strömung wird zu Strom

Schon im antiken Rom wurde Wasserenergie als Antriebsmittel genutzt. Heute liefert Wasserkraft mehr als die Hälfte des Stroms aus regenerativen Energien weltweit. Doch wie funktioniert das genau?

Wasserenergie: Wasserkraft-Werk
Die Energie des Wassers nutzen Menschen schon seit mehreren tausend Jahren. Wasserräder trieben zum Beispiel lange Zeit Mühlen an und mahlten Getreide. Ende des 19. Jahrhunderts entstand in England das erste Wasserkraftwerk, das die Bewegungsenergie des Wassers in Strom umwandelte und Lampen zum Leuchten brachte. Mittlerweile leistet die Wasserkraft zusammen mit den anderen erneuerbaren Energien Sonne, Wind, Biomasse und Geothermie einen zentralen Beitrag zur Energiewende. 16 Prozent des Gesamtstroms weltweit wird mit Wasserkraft erzeugt. Bei der Produktion von Ökostrom ist Wasserkraft weltweit mit 58 Prozent sogar die wichtigste Energiequelle unter den Erneuerbaren. 

Wasserenergie: So erzeugt Wasserkraft Strom


Wasserkraftwerke wandeln die Strömungsenergie des Wassers in elektrischen Strom um. Dafür wird Wasser aus Gewässern wie Flüssen oder Seen auf einem höheren Niveau gestaut. Das Wasser wird durch ein Rohr nach unten auf eine Turbine im Inneren des Wasserkraftwerks geleitet, es entsteht Druck. Je höher das Gefälle ist, desto mehr Druck entwickelt das Wasser. Dadurch treibt es die Turbine an und sie beginnt sich zu drehen. Die Turbine setzt wiederum einen Generator in Gang, der die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Oft ist Wasserkraftanlagen ein Umspannwerk angegliedert. Der aus Wasserkraft gewonnene Strom wird dorthin weitergeleitet, mit Hilfe von Transformatoren auf die passenden Spannungsebenen gebracht und ins Stromnetz einspeist. Von dort aus gelangt er in die Steckdosen zu Hause. Die einzelnen Kraftwerkstypen unterscheiden sich aber stark voneinander.

Deshalb gehört Wasserenergie zu den wichtigsten Erneuerbaren


Betrachten wir den weltweiten Anteil von regenerativen Energiequellen, liegt Wasserenergie weit vorne. So wurden im Jahr 2020 weltweit 69,87 Exajoule Strom aus regenerativen Energien verbraucht. Das entspricht ungefähr 19,4 Billionen Kilowattstunden. Wasserenergie hat daran einen Anteil von 38,16 Exajoule, also rund 54,6 Prozent. Damit stammt im Jahr 2020 mehr als die Hälfte des Stromverbrauchs aus regenerativen Energiequellen weltweit aus Wasserkraft. Die Rolle der Wasserenergie bei der globalen Energiewende ist deshalb besonders wichtig.

Anteil Wasserenergie an erneuerbarer Stromerzeugung


Mit Blick auf die Zahlen aus Deutschland sieht es bisher noch etwas anders aus: Aktuell stammt der Großteil des erneuerbaren Stroms aus Windenergie, die an Land oder auf See gewonnen wird, so die Daten des Umweltbundesamts aus 2022. Bis zum Jahr 2000 war Wasserkraft die Nummer Eins bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland. Sie wurde dann nach und nach Photovoltaik-, Windkraft- und Biomasseanlagen überholt. Heute stammen nur noch rund sieben Prozent des grünen Stroms aus Wasserenergie.

Quelle: Umweltbundesamt (03/2023), eigene Darstellung

Wasserkraftwerke: So vielseitig wird Wasserenergie genutzt

 

Wasserenergie tritt in verschiedenen Formen auf. Um die natürliche Strömung des Meeres zur Stromerzeugung zu nutzen, sind deshalb andere Kraftwerke erforderlich als an Staudämmen. Die folgenden Kraftwerktypen gehören zu den weltweit wichtigsten.

Speicherkraftwerk

Speicherkraftwerke werden häufig an Seen oder Stauseen errichtet. Das Wasser des Sees fließt kontrolliert durch Turbinen, um Strom zu erzeugen. Oft gelingt dies durch ein natürliches oder durch Staudämme künstlich erzeugtes Gefälle. Weil das Wasser im See gespeichert wird, bevor durch dessen Kraft Strom erzeugt wird, nennt man diesen Kraftwerktyp Speicherkraftwerk. Eine besondere Form davon sind sogenannte Pumpspeicherkraftwerke.

Pumpspeicherkraftwerk

Pumpspeicherkraftwerke können zwischen Stromproduktion und Stromspeicherung wechseln. Sie besitzen ein höher liegendes Oberbecken und ein niedrigeres Auffangbecken und brauchen nicht unbedingt einen natürlichen Zufluss von Wasser. Wenn der Bedarf an Elektrizität steigt, wird das Wasser aus dem Oberbecken durch eine Turbine nach unten in das Auffangbecken geleitet. So kann innerhalb von Sekunden Strom produziert werden. Ist gerade mehr Strom im Netz vorhanden, als gebraucht wird, zum Beispiel über Nacht, wird damit eine elektrische Pumpe angetrieben. Diese pumpt das Wasser wieder hoch in das Oberbecken. So kann Elektrizität als potenzielle Energie des Wassers zwischengespeichert werden, bis sie wieder abgerufen wird.

Laufwasserkraftwerk

Um die Wasserenergie von Flüssen in elektrischen Strom umzuwandeln, kommen Laufwasserkraftwerke zum Einsatz. Das Flusswasser fließt dabei durch Wasserturbinen, um Strom zu erzeugen. Im Gegensatz zu Speicherkraftwerken kann die Fallhöhe des Wassers bei Laufkraftwerken kaum gesteigert werden. Lediglich durch Wehranlagen lassen sich Höhenunterschiede realisieren.

Wellenkraftwerk

Ein Wellenkraftwerk nutzt die Wellenenergie des Meeres aus. Das Prinzip dahinter ist ausgeklügelt, denn durch die Turbinen solch eines Kraftwerks strömt Luft anstelle von Wasser. Dazu werden senkrechte Säulen installiert, die oberhalb der Wasseroberfläche Luft enthalten. Durch das Auf und Ab der Meereswellen wird die Luft abwechselnd nach oben gedrückt und wieder nach unten gezogen. Durch diesen Luftstrom wird eine Turbine bewegt, die ihre Bewegungen schließlich an einen Generator zur Stromerzeugung weitergibt.

Gezeitenkraftwerk

Ein Gezeitenkraftwerk funktioniert ähnlich wie ein Speicherkraftwerk an einem Staudamm. Denn auch hier wird ein Damm gebaut. Der Unterschied: Der Damm für ein Gezeitenkraftwerk trennt meist eine Bucht vom offenen Meer. Das Wasser kann den Damm nur durch Turbinen passieren.
Durch Ebbe und Flut bewegen sich die Turbinen sowohl bei auflaufendem als auch ablaufenden Wasser und nutzen deshalb die Wasserenergie der Gezeiten optimal aus.

Meeresströmungskraftwerk

Der Aufbau eines Meeresströmungskraftwerks erinnert beinahe an eine verkehrtherum installierte Windkraftanlage. Unter Wasser befindet sich nämlich ein Rotor, der durch die Strömungsenergie des Meeres bewegt wird. Diese Bewegungsenergie wird anschließend von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Osmosekraftwerk

Unterschiedliche Salzgehalte in Süßwasser und Salzwasser sorgen in einem Osmosekraftwerk für die Wasserenergie zur Stromerzeugung. Das Prinzip klingt anfangs kompliziert, ist aber ganz einfach. Denn die Natur will stets eine Balance herstellen. Treffen nun Salzwasser und Süßwasser aufeinander, dann vermischen sie sich, bis der Salzgehalt gleich ist. Bei der Osmose wirkt eine nur zu einer Seite durchlässige Membran als eine Art Filter: Nur die kleinen Wassermoleküle können durch die Membran hindurchfließen, Salzmoleküle sind zu groß für die Öffnungen. Stattet man also einen Tank mit einer solchen Membran aus, füllt ihn auf der einen Seite mit Süßwasser und auf der anderen Seite mit Salzwasser, dann fließt Wasser von der Süßwasserseite zur Salzwasserseite, um das Salzwasser zu verdünnen, bis es nur noch so salzig ist wie das Süßwasser auf der anderen Seite. Dadurch steigt der Druck auf der Salzwasserseite, weil die Membran ja nur zu einer Seite durchlässig ist. Und dieser durch Wasserenergie erzeugte Druck wird in einem Osmosekraftwerk benutzt, um eine Turbine anzutreiben und schließlich Strom zu erzeugen.

Vorteile von Strom aus Wasserenergie

 

  • Der aus Wasserkraft gewonnene Ökostrom liefert saubere Energie: Er ist CO2-neutral und umweltfreundlich.
  • Wasser ist als erneuerbare Energie fast unbegrenzt verfügbar.
  • Durch Wasserkraftwerke werden keine wertvollen Ressourcen verbraucht. Das Wasser fließt nach der Nutzung zur Stromerzeugung wieder zurück in den globalen Wasserkreislauf.
  • Wird mehr Wasserkraft zur Stromproduktion eingesetzt, werden fossile Energien wie Öl oder Kohle geschont.
  • Wasserkraft kann zuverlässig Strom liefern, denn sie ist im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind weniger wetterabhängig.
  • Wasserkraftwerke haben einen hohen Wirkungsgrad. Bei großen, modernen Wasserkraftanlagen liegt er bei über 90 Prozent.
  • Speicherkraftwerke dienen neben der Stromproduktion auch dem Hochwasserschutz.

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