Energiegewinnung aus Wasser

Die mehr als 500 Laufwasserkraftwerke in Deutschland verfügen zusammen über eine Leistung von ca. 2.600 MW. Um ein Laufwasserkraftwerk zu betreiben, braucht man stetig laufendes Wasser, also einen Fluss. Und so liegen die größten Kraftwerke dieser Art dann auch an den großen deutschen Flüssen, dem Rhein, der Donau, der Elbe, dem Lech, der Isar, dem Inn, der Mosel, dem Main, dem Neckar, der Saar, der Ruhr und der Weser. Die benötigte Fallhöhe des Wassers ist bei dieser Kraftwerksart sehr gering. Oft beträgt sie nur wenige Meter. Die Stromproduktion erfolgt hier durch die kontinuierliche Menge an fließendem Wasser, dem so genannten Wasserdurchsatz. Besonders geeignet sind sie, um die Grundstromversorgung zu decken. Da die Wassermenge eines Flusses jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt, werden Laufwasserkraftwerke oft in Verbindung mit Stauwehren gebaut. Sie ermöglichen, die benötigten Fallhöhen gleich zu halten und dienen mit ihren Schleusen zusätzlich dem Schiffsverkehr. Allein die Mosel passiert zwischen Trier und Koblenz zehn Laufwasserkraftwerke und erzeugt so im Jahr 800 Millionen kWh. Zusammengenommen erreichen die vorhandenen Laufwasserkraftwerke in Deutschland in etwa dieselbe Leistung wie vier große Kohlekraftwerke. Ihrer langen Lebensdauer stehen erst einmal relativ hohe Investitionskosten gegenüber. Da die Anlagen jedoch zentral gesteuert werden und kein weiteres Personal benötigen, sind die Betriebskosten nur sehr gering. Speicherkraftwerke werden entweder an hoch gelegenen natürlichen Seen gebaut oder man schafft künstliche Wasserspeicher zu den Kraftwerken, die Talsperren. Aus diesen Wasserspeichern leitet man das Wasser über Rohre oder Stollen zu den Turbinen, die sich unterhalb des Speicherbeckens im Maschinenraum des Kraftwerks befinden. Eines der größten Speicherkraftwerke Deutschlands befindet sich am Walchensee, in den bayerischen Voralpen. Es ist seit 1924 in Betrieb mit einer Leistung von 124 MW. Eine Sonderform der Speicherkraftwerke sind die so genannten Pumpspeicherkraftwerke. Hier kann mithilfe elektrischer Pumpen bereits genutztes Wasser in ein höher gelegenes Speicherbecken zurückgeführt und erneut zur Energieerzeugung genutzt werden. Wie bei einer Batterie wird hier also Wasser und somit Energie je nach Bedarf entweder gespeichert oder genutzt. Die Tageslastkurve zeigt, wie der Leistungsbedarf am Vormittag steigt und im Tagesverlauf Schwankungen unterliegt. Laufwasserkraftwerke sind besonders geeignet für die Grundlastversorgung, während Pumpspeicherkraftwerke zur Versorgung von Spitzenlasten benötigt werden. Diese Art von Kraftwerk dient daher auch als Ausfallsicherung für andere Kraftwerke und zur Stabilisierung der Elektrizitätsversorgung. Da allerdings für den Pumpvorgang selbst Energie benötigt wird, beträgt der Wirkungsgrad dieser Kraftwerksart im Gegensatz zu den anderen Kraftwerkstypen nur etwa 75 bis 80 %. In Deutschland gibt es zurzeit etwa 30 Pumpspeicherkraftwerke mit einer Gesamtleistung von ca. 7 GW. Für die verschiedenen Kraftwerke gibt es unterschiedliche Arten von Turbinen. Kaplan- oder Rohrturbinen werden vor allem bei Laufwasserkraftwerken eingesetzt, während Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke meist Pelton-Turbinen zur Energieerzeugung nutzen. Ein kleiner Gebirgsbach mit einer großen Fallhöhe kann ebenso viel Energie erzeugen wie ein träge fließender Fluss. Denn die Leistung einer Wasserturbine wird bestimmt durch P=ηρghV. P gleich Leistung in Watt, η gleich Wirkungsgrad der Turbine, ρ gleich Dichte des Wassers in Kilogramm pro Kubikdezimeter, g gleich Erdbeschleunigung in Meter pro s², h gleich Fallhöhe des Wassers in Meter, V gleich Durchflussvolumen in Kubikdezimeter pro Sekunde. Heutige Turbinen erreichen einen Wirkungsgrad von 75 bis 90 %. Da jedoch immer auch Reibungsverluste durch Getriebe und Generator mit eingerechnet werden müssen, beträgt der tatsächliche Gesamtwirkungsgrad einer Wasserkraftanlage nur ca. 60 bis 70 %. Wasser bedeckt etwa 70 % der Oberfläche unseres Planeten und ist in stetiger Bewegung. Ein gewaltiges Potenzial an möglicher Energie, das in Zukunft mithilfe moderner Technik nutzbar gemacht werden könnte. Deutschland bezieht heute etwa 3,4 % seiner gesamten Energie aus Wasserkraft. Dass dieser Wert seit über 20 Jahren fast konstant ist, liegt daran, dass das Potenzial hierzulande nahezu ausgeschöpft ist. Nur durch die Modernisierung bestehender Anlagen und durch die Reaktivierung bereits stillgelegter Kraftwerke könnte der Anteil auf etwa 5 % gesteigert werden. Um das zu erreichen, fördert der Bund bereits seit 2004 die Modernisierung und Erweiterung bestehender Wasserkraftanlagen mit einer Leistung bis zu 150 MW durch das erneuerbare Energien Gesetz EEG. Europaweit sind ca. 80 % der inländischen Wasserenergie bereits erschlossen. Weltweit sieht die Situation jedoch anders aus. Besonders in den Entwicklungs- und Schwellenländern wird bisher die vorhandene Wasserenergie wenig genutzt. Zurzeit stehen vor allem riesige Staudammprojekte zur Diskussion, die unter ökologischen Gesichtspunkten als sehr bedenklich eingestuft werden müssen. Hier gilt es, zukünftig umweltverträglichere Lösungen zu entwickeln. So geraten die Weltmeere immer mehr in den Fokus der Wissenschaftler. In der stetigen Bewegung der Ozeane, den sich auftürmenden Wellen und den Gezeitenkräften steckt ein riesiges Reservoir an Bewegungsenergie. Neben den klassischen Gezeitenkraftwerken, die bereits heute die Lageenergie des Wechsels zwischen Ebbe und Flut und die kinetische Energie des Gezeitenstroms zur Stromerzeugung nutzen, befinden sich neu entwickelte Technologien in der Testphase. Wellenkraftwerke verwenden die Bewegungsenergie der Meereswellen und wandeln diese mit verschiedenen Methoden in Strom um. Bei dem Prinzip der pneumatischen Kammer drücken die Wellen Wasser in einen offenen Betonbehälter. Beim Eindringen des Wassers wird die vorhandene Luft komprimiert. Dadurch entsteht ein Überdruck, mit dem eine Windturbine angetrieben wird, die über einen Generator Strom erzeugt. Strömt das Wasser zurück, entsteht ein Unterdruck, der ebenfalls zum Antrieb der Windturbine genutzt wird. Eine so genannte Seeschlange besteht aus Schwimmkörpern, die auf der Wasseroberfläche schwimmen und durch Gelenke miteinander verbunden sind. Innerhalb dieser Gelenke befinden sich Hydraulikzylinder, die durch die Wellen bewegt werden. Sie drücken Flüssigkeit durch eingebaute Turbinen, die wiederum Strom erzeugen. Meeresströmungskraftwerke nutzen zwar wie Gezeitenkraftwerke den Tidenhub, funktionieren aber wie riesige Windkrafträder unter Wasser. Das Pilotkraftwerk SeaGen vor der Küste Cornwalls erzeugt eine konstante Leistung von 1,2 MW. Damit zählt es zu den momentan leistungsfähigsten Meereswasserkraftanlagen überhaupt. Noch sind diese neuen Kraftwerkstypen technisch nicht wirklich ausgereift und die geeigneten Standorte zu finden ist schwierig. Die Anlagen müssen küstennah errichtet werden, um den Stromabtransport zu gewährleisten, dürfen aber die Fischerei und den Schiffsverkehr nicht behindern. Zudem sind die Baukosten solcher Anlagen sehr hoch und die ökologischen Auswirkungen noch unklar. Trotzdem gelten Meerwasserkraftanlagen unter Experten als ein wichtiger Teil der zukünftigen Nutzung der weltweiten Wasserenergie. Eine andere Möglichkeit, Energie aus Wasser zu gewinnen, ist die Verwendung eines seiner chemischen Bestandteile: des Wasserstoffs. Bisher vor allem von der chemischen Industrie verwendet, rückt Wasserstoff auch als Energieträger und Speichermedium zum Beispiel beim Einsatz von Brennstoffzellen immer mehr ins Blickfeld der Wissenschaft. Das erste Forschungszentrum für Wasserstoff in Deutschland wurde im Juni 2012 in Cottbus eröffnet. Es folgt damit einer Erkenntnis, die der bekannte Autor und Visionär Jules Verne schon 1874 hatte. Er stellte schon damals fest: Wasser ist die Kohle der Zukunft.