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Wasserkraftwerke

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Team Realfilm
Wasserkraftwerke
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Beschreibung Wasserkraftwerke

Inhalt

Wasserkraftwerke

Dein Computer, dein Handy, das Licht in deinem Zimmer und viele andere Geräte und Fortbewegungsmittel benötigen Energie. Diese Energie muss erzeugt werden – und eine Möglichkeit, Energie zu erzeugen, ist der Einsatz von Wasserkraftwerken.

Wasserkraftwerke haben eine lange Geschichte: Bereits vor mehr als 2.000 Jahren nutzten Menschen die Wasserkraft in Mühlen, um beispielsweise Getreide zu mahlen. Heutzutage wird die Wasserkraft allerdings hauptsächlich zur Stromproduktion genutzt. Wir wollen uns im Folgenden damit beschäftigen, welche Arten von Wasserkraftwerken es gibt und wie sie funktionieren. Außerdem wollen wir die Vor- und Nachteile von Wasserkraftwerken betrachten.

Wasserkraftwerke – Arten

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, mithilfe von Wasser Energie zu gewinnen. Die meisten Wasserkraftwerke wandeln dabei potenzielle oder kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie um. Wasserkraftwerke haben dabei einen sehr hohen Wirkungsgrad.
Diese drei Kraftwerkstypen beschäftigen uns dabei insbesondere:

  • Speicher- bzw. Laufwasserkraftwerke
  • Gezeitenkraftwerke
  • Wellenkraftwerke

Speicherkraftwerke und Laufwasserkraftwerke

Als Speicherkraftwerke bezeichnet man Kraftwerke, bei denen ein Fluss durch einen Staudamm aufgestaut wird. Das aufgestaute Wasser kann dann durch ein Rohr im Staudamm abgelassen werden, wobei es eine Turbine antreibt. Diese ist wiederum an einen Generator gekoppelt, der aus der mechanischen Drehbewegung Strom erzeugt. So wird die potenzielle Energie, die das Wasser durch den Höhenunterschied innehat, in mechanische und elektrische Energie umgewandelt.

Wasserkraftwerk Aufbau und Funktionsweise

Das Funktionsprinzip von Laufwasserkraftwerken ist grundsätzlich dasselbe. Auch bei diesem Bautyp gibt es ein Stauwehr, das eine Turbine enthält. Allerdings sind in diesem Fall der Zufluss und der Abfluss stets gleich, sodass kein zusätzliches Wasser angestaut und gespeichert wird.

Lauf- und Speicherkraftwerke haben zwar einige Vorteile, aber auch wesentliche Nachteile. Ein paar Beispiele haben wir in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Vorteile Nachteile
Im Betrieb ist die Energieerzeugung weitestgehend $\text{CO}_2$-neutral. Das Stauwehr ist ein Eingriff in das natürliche Ökosystem und kann diesem erheblich schaden.
Der Betrieb ist kostengünstig, der produzierte Strom dadurch ebenfalls. Durch die Turbinen können zusätzlich Fische und andere Lebewesen sterben.
Es handelt sich um eine zuverlässige Energiequelle, die dauerhaft Strom liefern kann.
Nur bei Speicherkraftwerken:
Im überfluteten Gebiet werden durch die Zersetzung von Pflanzen usw. Treibhausgase frei.
Die Wasserqualität verschlechtert sich.
Bei Stauseen können Enteignungen und Umsiedlungen erforderlich sein.

Gezeitenkraftwerke

Gezeitenkraftwerke, auch Strömungskraftwerke genannt, funktionieren ähnlich wie Laufwasserkraftwerke. Allerdings wird hier kein Fluss gestaut, sondern der natürliche Tidenhub oder Meeresströmungen werden ausgenutzt. Dazu werden Turbinen so unter Wasser konstruiert, dass sie durch die Wasserbewegung bei Ebbe und Flut bewegt werden und so die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie umwandeln.

Wasserkraftwerk Physik, Gezeitenkraftwerk

Einige Vor- und Nachteile von Gezeitenkraftwerken sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Vorteile Nachteile
Im Betrieb sind Gezeitenkraftwerke annähernd $\text{CO}_2$-neutral. Bei der Standortsuche für die Turbinen muss der Schiffsverkehr berücksichtigt werden.
Die Stromerzeugung ist gut vorhersagbar, da Meeresströmungen und Gezeiten stabil sind. Die Turbinen haben Einfluss auf die Strömungen, was wiederum negative Einflüsse auf Meereslebewesen haben kann.
Bei langsamer Bewegung der Turbinen stellen die Turbinenblätter vermutlich keine große Gefahr für Meereslebewesen dar. Die Turbinen verursachen Lärm, der für manche Meereslebewesen negative Folgen haben kann.

Wellenkraftwerke

Wellenkraftwerke existieren aktuell hauptsächlich als Prototypen und Versuchsanlagen. Sie nutzen die ständige Wellenbewegung des Wassers, um Energie zu erzeugen. Dabei gibt es unterschiedliche Ansätze, die kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Manche Prototypen enthalten Generatoren, andere hydraulische Systeme oder bewegliche Klappen.

Wasserkraft weltweit

Die Wasserkraft gehört zu den meistgenutzten Energiequellen. Weltweit machen Wasserkraftwerke 2020 eine installierte Leistung von etwa 1.300 Gigawatt aus. Gemessen an der weltweiten Stromproduktion werden damit etwa $16,85~\%$ durch Wasserkraft erzeugt1. In Deutschland sind es etwa $3,3~\%$ des Gesamtstroms1.

Dieses Video

In diesem Video lernst du, was ein Wasserkraftwerk ist, welche Arten von Wasserkraftwerken es gibt und welche Form der Energieumwandlung sie nutzen. Du erfährst auch, welche Vor- und Nachteile sie mit sich bringen. Damit bist du für ein Referat zu diesem Thema bestens gerüstet.

Quellen

1 ourworldindata.org, abgerufen: 07.06.2021.

Transkript Wasserkraftwerke

Die Antriebskraft des fließenden Wassers – die Wasserkraft – ist eine schon früh erschlossene Energiequelle. Heute ist sie mit großem Abstand die am meisten genutzte erneuerbare Energieform, weil sie Energie erzeugt, ohne die Umwelt durch Abfallprodukte oder Verschmutzung zu belasten. Es gibt drei Hauptquellen für Wasserkraft: Staudämme, die Gezeiten und Wellen oder Strömungen. Staudämme im Inland – zum Beispiel der Hoover Damm in den USA – sind die häufigste Form der Nutzung von Wasserkraft. Durch Dämme wird erst Wasser gestaut, das dann unter Druck talabwärts freigelassen wird. Es treibt dabei Turbinen an, die an Generatoren angeschlossen sind. Zusätzlich bilden Dämme Wasserreservoire für trockene Landstriche und vermindern das Risiko unkontrollierter Überschwemmungen. Aber durch die Veränderung von Lebensräumen und die Zerstörung von lokalen Ökosystemen haben sie auch negative Auswirkungen auf die Umwelt. Talabwärts kann das Flussbett austrocknen, und Fische, die flussaufwärts wandern, um sich zu paaren - wie z. B. Lachse - können die Dämme nicht überwinden. Die Kraft der Gezeiten kann durch große Unterwasserturbinen genutzt werden, die Windturbinen ähneln. Diese Turbinen sind so konstruiert, dass sie sowohl die Bewegungsenergie des auflaufenden Wassers bei Flut als auch die des ablaufenden Wassers bei Ebbe nutzen, um Strom zu erzeugen. Die Gezeiten sind eine verlässliche und planbare Energiequelle, aber die großen Turbinen können das Ökosystem nachteilig beeinflussen. Zudem sind sie sehr teuer. Halb unter Wasser befestigte zylindrische Energiewandler werden ständig auf und ab bewegt. Bei dieser Bewegung nehmen sie kinetische Energie aus dem unbegrenzten Vorrat der Meereswellen auf. Der Bau von Wellenkraftwerken und ihr Anschluss an das Stromnetz auf dem Festland ist sehr teuer, dagegen sind die Betriebskosten minimal. Wasserkraft ist die zuverlässigste aller erneuerbaren Energieformen und hat außerdem die geringsten negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Sie hat somit das Potenzial, in der Zukunft einen enormen Beitrag zu unserer Energieversorgung zu leisten.

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. einfach gta

    Von Ennow, vor etwa einem Monat

Wasserkraftwerke Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasserkraftwerke kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschrifte den Staudamm.

    Tipps

    Ein Transformator speißt den erzeugten Strom ins Stromnetz ein.

    Einen Propeller nutzt man zum Antrieb von Flugzeugen.

    In einem Generator wird Strom aus einer Rotationsbewegung erzeugt.

    Lösung

    Die Staumauer des Damms staut das Wasser eines Flusses auf eine bestimmte Höhe an. Das Wasser oben am Stausee bezeichnet man dann als Oberwasser und das Wasser unter dem Stausee als Unterwasser.

    Aufgrund des Höhenunterschiedes erzeugt die Gravitation einen Druckunterschied zwischen den beiden Wasserhöhen, sodass das Wasser mit großem Druck durch den Damm fließt. Dabei treibt das Wasser die rotierende Turbine an, die ihre Rotation auf den Generator überträgt. Der Generator erzeugt schließlich elektrische Energie aus der Rotation, die durch einen Transformator in das Stromnetz eingespeist wird.

  • Nenne die drei verschiedenen Wasserkraftwerke.

    Tipps

    Der Großteil des weltweiten Energiebedarfs wird heute noch mit fossilen Energieträgern wie Kohle oder Gas gedeckt.

    Je tiefer man ins Wasser eintaucht, desto größer ist der Druck.

    Bei Ebbe oder Flut fließt das Wasser zum Teil schneller als manche Schiffe.

    Lösung

    Die Gravitation zieht an dem angestauten Wasser in einem Staudamm und erzeugt einen hohen Druck, der mit der Höhe des Wasserspiegels im Stausee steigt. Das Wasser, das mit diesem hohen Druck aus dem Stausee gepresst wird, treibt dann eine Turbine an, die wiederum den Strom erzeugt. Auch Gezeitenkraftwerke nutzen eine Turbine, allerdings wird diese durch das strömende Wasser angetrieben, das bei Ebbe und Flut fließt. Wellenkraftwerke nutzen die Energie der Wellen auf der Meeresoberfläche, wenn diese sich heben und senken.

    Heute können durch die Wasserkraftwerke etwa 20% des Energiebedarfs der Erde gedeckt werden.

  • Erkläre das Gezeitenkraftwerk.

    Tipps

    Die Gezeiten entstehen durch die Gravitationskraft des Mondes.

    Ein Generator wird durch einen drehenden Stahlzylinder angetrieben und erzeugt elektrische Energie.

    Wenn das Wasser gegen die Turbinen des Kraftwerks drückt, beginnen sie zu drehen.

    Lösung

    Durch die Gravitationskraft bringt der Mond das Wasser auf der Erde in Bewegung und erzeugt so die Gezeiten. Bei Flut strömt das Wasser dann in Richtung Land und bei Ebbe vom Land weg. Diese Wasserströmung trägt eine kinetische Energie und kann deshalb die Turbinen des Gezeitenkraftwerkes antreiben. Die Rotationsenergie der Turbinen überträgt sich durch ein Getriebe auf die Welle des Generators. Dieser erzeugt schließlich aus der Rotationsenergie die elektrische Energie.

  • Erschließe das leistungsfähigste Kraftwerk.

    Tipps

    Staudämme sind leistungsfähiger als Gezeitenkraftwerke oder Wellenkraftwerke.

    Wellenkraftwerke sind heute noch nicht sehr leistungsfähig.

    Die Drei-Schluchten-Talsperre ist das leistungsfähigste Kraftwerk der Welt.

    Lösung

    Die hier aufgeführten Kraftwerke gehören zu den weltweit leistungsfähigsten Kraftwerken ihrer Art. Das leistungsfähigste Wasserkraftwerk überhaupt ist die Drei-Schluchten-Talsperre in China mit einer Leistung von bis zu 22,5 Gigawatt (GW). Anders als der Hoover Damm besteht sie nicht nur aus einem, sondern gleich aus mehreren Staudämmen, die Strom erzeugen können. Der Hoover Damm in Amerika ist inzwischen schon etwas älter, er steht immerhin seit 1935. Seither wurde seine Leistung immer wieder gesteigert, sie liegt inzwischen bei bis zu 2080 Megawatt (MW).

    Das Gezeitenkraftwerk Usine marémotrice de la Rance ist das zweit leistungsfähigste Gezeitenkraftwerk der Welt. Seine Leistung liegt im Mittel bei 68 MW, es könnte durch seine Turbinen allerdings bis zu 240 MW erreichen.

    Das Wellenkraftwerk Aguçadoura ist das derzeit leistungsfähigste Wellenkraftwerk und erzeugt mit seinen drei Energiewandlern bis zu 2,25 MW an elektrischer Energie.

  • Nenne die Eigenschaften von Wasserkraftwerken.

    Tipps

    Kinetische Energie ist Bewegungsenergie.

    Lösung

    Wasserkraftwerke wandeln allesamt kinetische Energie, also Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Bei Staudämmen und Gezeitenkraftwerken strömt das Wasser aufgrund des Drucks des angestauten Wassers oder aufgrund der Gezeitenkräfte durch die Turbinen der Kraftwerke. Diese treiben wiederum einen Generator an. In Wellenkraftwerken wird hingegen die kinetische Energie des Auf und Abs der Wellen zur Energiegewinnung genutzt.

    Staudämme und Gezeitenkraftwerke können leider negative Folgen für die Natur haben, beispielsweise indem sie Flüsse austrocknen oder Gebiete überschwemmen.

    Die Kraft von strömendem Wasser wurde schon lange vor den Wasserkraftwerken genutzt. Im Mittelalter nutzte man beispielsweise Wassermühlen, die durch einen strömenden Bach angetrieben wurden, zum Mahlen von Mehl.

  • Berechne die Leistung des Wasserkraftwerkes.

    Tipps

    Der Wirkungsgrad von 75% bedeutet, dass ein Faktor von 0,75 der Energie in elektrische Energie umgesetzt wird.

    Um den gesamten Energiebedarf zu decken, muss mindestens so viel Energie erzeugt werden.

    Lösung

    Indem du die Werte des Kraftwerks in die Formel einsetzt, erhältst du eine Leistung von:

    $P=350 \cdot 410 \cdot 9810 \cdot 0,75\,\text{W}\approx1056\,\text{MW}$

    Wenn du nun den deutschen Gesamtbedarf durch diesen Wert teilst, erhältst du einen Wert von 66,3. Es werden also mindestens 67 Kraftwerke wie dieses benötigt.

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