Definition: Was ist Wasserkraft?
Wasserkraft bezeichnet die Nutzung der Bewegungs- und Lageenergie von Wasser zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie. Sie gehört zu den erneuerbaren Energiequellen und wird seit Jahrhunderten genutzt. Moderne Wasserkraftanlagen wandeln die Energie fließenden oder fallenden Wassers überwiegend mithilfe von Turbinen und Generatoren in Strom um.
Die Bedeutung der Wasserkraft hängt stark von geografischen und hydrologischen Bedingungen ab. Besonders Flüsse mit hohem Abfluss und große Höhenunterschiede bieten günstige Voraussetzungen. Gleichzeitig greifen Wasserkraftanlagen in Gewässerökosysteme ein und können Wanderbewegungen von Fischen, Sedimenttransport und natürliche Flussdynamik verändern.
Grundprinzip der Wasserkraft
Wasser besitzt potenzielle Energie, wenn es sich auf einem höheren Niveau befindet, und Bewegungsenergie, wenn es strömt. Wasserkraftanlagen nutzen eine oder beide dieser Energieformen.
Entscheidend für die mögliche Leistung sind vor allem Wassermenge und Fallhöhe.
Fallhöhe
Die Fallhöhe beschreibt den Höhenunterschied, über den Wasser in einer Anlage genutzt wird.
Je größer dieser Unterschied ist, desto mehr potenzielle Energie steht grundsätzlich zur Verfügung.
Wassermenge
Neben der Fallhöhe bestimmt der Abfluss eines Gewässers die mögliche Leistung. Ein großer Fluss kann auch bei geringer Fallhöhe erhebliche Energiemengen bereitstellen.
Die tatsächlich nutzbare Wassermenge verändert sich jedoch saisonal.
Abfluss
Als Abfluss wird die Wassermenge bezeichnet, die innerhalb einer bestimmten Zeit durch einen Flussquerschnitt fließt.
Niederschlag, Schneeschmelze und Grundwasserzufluss beeinflussen diesen Wert.
Turbinen
Turbinen wandeln die Energie des Wassers in eine Drehbewegung um. Je nach Fallhöhe und Wassermenge werden unterschiedliche Turbinentypen eingesetzt.
Die Turbine treibt einen Generator an, der elektrische Energie erzeugt.
Generator
Im Generator wird mechanische Energie in elektrischen Strom umgewandelt.
Das Prinzip entspricht grundsätzlich auch anderen Kraftwerkstypen, bei denen eine Turbine einen Generator antreibt.
Laufwasserkraftwerke
Laufwasserkraftwerke nutzen den kontinuierlichen Abfluss eines Flusses. Das Wasser wird häufig über ein Wehr aufgestaut und durch Turbinen geleitet.
Die Stromerzeugung folgt dabei weitgehend der verfügbaren Wassermenge.
Grundlastähnliche Erzeugung
Flüsse mit relativ gleichmäßigem Abfluss ermöglichen eine vergleichsweise kontinuierliche Stromproduktion.
Bei Niedrigwasser kann die Leistung jedoch deutlich zurückgehen.
Speicherkraftwerke
Speicherkraftwerke sammeln Wasser in einem höher gelegenen Reservoir und geben es bei Bedarf durch Turbinen ab.
Dadurch kann die Stromerzeugung zeitlich stärker gesteuert werden als bei Laufwasserkraftwerken.
Stauseen
Stauseen speichern große Wassermengen und können neben Energiegewinnung auch Hochwasserschutz, Bewässerung oder Trinkwasserversorgung dienen.
Ihre Anlage verändert jedoch Landschaften und Fließgewässer erheblich.
Pumpspeicherkraftwerke
Pumpspeicherkraftwerke besitzen ein oberes und ein unteres Wasserbecken. Bei Stromüberschuss wird Wasser nach oben gepumpt.
Bei hohem Strombedarf fließt es wieder nach unten und erzeugt über Turbinen Strom.
Stromspeicherung
Pumpspeicher erzeugen keine zusätzliche Primärenergie, sondern speichern bereits erzeugten Strom in Form von Lageenergie.
Sie können deshalb Schwankungen im Stromsystem ausgleichen.
Kleinwasserkraft
Kleinwasserkraftanlagen besitzen eine deutlich geringere Leistung als große Wasserkraftwerke. Sie werden häufig an kleineren Flüssen, Wehren oder historischen Mühlenstandorten betrieben.
Auch kleine Anlagen können jedoch ökologische Auswirkungen auf das Gewässer haben.
Kumulative Wirkung
Viele kleine Querbauwerke innerhalb eines Flusssystems können zusammen erhebliche Auswirkungen auf Durchgängigkeit und Sedimenttransport verursachen.
Die ökologische Bewertung darf daher nicht nur einzelne Anlagen isoliert betrachten.
Wirkungsgrad
Wasserkraftanlagen können einen hohen technischen Wirkungsgrad erreichen. Ein großer Anteil der mechanischen Energie des Wassers kann in Strom umgewandelt werden.
Die Effizienz hängt von Turbine, Generator und Betriebsbedingungen ab.
Verluste
Reibung, Strömungsverluste und elektrische Umwandlung führen dazu, dass nicht die gesamte Wasserenergie als nutzbarer Strom verfügbar ist.
Moderne Anlagen versuchen, diese Verluste möglichst gering zu halten.
Wasserkraft als erneuerbare Energie
Die Energie des Wasserkreislaufs wird letztlich durch Sonnenenergie angetrieben. Verdunstung, Niederschlag und Höhenunterschiede sorgen dafür, dass Wasser immer wieder potenzielle Energie erhält.
Wasserkraft gilt deshalb als erneuerbare Energiequelle.
Begrenztes Ausbaupotenzial
Geeignete Standorte sind jedoch geografisch begrenzt und viele günstige Flüsse bereits genutzt.
Zusätzlicher Ausbau kann deshalb mit hohen ökologischen Konflikten verbunden sein.
Wasserkraft und Klimaschutz
Wasserkraftwerke benötigen während des Betriebs keine Verbrennung fossiler Energieträger. Dadurch entstehen nur geringe direkte Kohlendioxidemissionen.
Emissionen entstehen jedoch bei Bau, Materialherstellung und teilweise durch biologische Prozesse in Stauseen.
Lebenszyklusemissionen
Für die Klimabilanz müssen Bauwerke, Turbinen, Beton, Stahl und weitere Materialien berücksichtigt werden.
Die tatsächlichen Emissionen unterscheiden sich je nach Anlage erheblich.
Stauseen und Treibhausgase
In Stauseen kann überflutete organische Substanz unter sauerstoffarmen Bedingungen zersetzt werden.
Dabei können Kohlendioxid und Methan entstehen.
Tropische Stauseen
Besonders in warmen Regionen mit viel organischem Material können Methanemissionen relevant sein.
Die Klimabilanz von Wasserkraft ist daher standortabhängig.
Gewässerdurchgängigkeit
Wehre und Staumauern unterbrechen die natürliche Längsverbindung eines Flusses.
Dies kann wandernde Fische und andere Wasserorganismen erheblich beeinträchtigen.
Fischwanderung
Viele Fischarten wandern im Laufe ihres Lebens zwischen unterschiedlichen Gewässerabschnitten.
Barrieren können verhindern, dass Laich- oder Nahrungsgebiete erreicht werden.
Fischtreppen
Fischtreppen und andere Aufstiegshilfen sollen Tieren ermöglichen, Querbauwerke zu überwinden.
Sie bestehen aus einer Folge kleiner Becken oder naturnah gestalteter Umgehungsgerinne.
Wirksamkeit
Die Funktion hängt von Strömung, Bauform und den vorkommenden Arten ab.
Eine Aufstiegshilfe kann eine vollständige natürliche Durchgängigkeit nicht immer ersetzen.
Fischabstieg
Nicht nur der Aufstieg, sondern auch die Wanderung flussabwärts ist problematisch. Fische können in Turbinen geraten.
Besonders wandernde Arten sind davon betroffen.
Rechen und Bypass-Systeme
Feine Rechen können Fische vom Turbineneinlauf fernhalten.
Bypässe bieten alternative Abwanderungswege.
Sedimenttransport
Flüsse transportieren Sand, Kies und feine Sedimente. Staustufen können diesen natürlichen Transport unterbrechen.
Sedimente lagern sich oberhalb von Wehren und Staudämmen ab.
Sedimentdefizit
Unterhalb einer Staustufe kann dadurch weniger Material zur Verfügung stehen.
Dies kann Flussbett, Ufer und Küstenbereiche langfristig verändern.
Geschiebe
Gröbere Sedimente, die am Flussgrund transportiert werden, werden als Geschiebe bezeichnet.
Sie sind wichtig für die Struktur natürlicher Flussbetten.
Laichhabitate
Viele Fischarten benötigen kiesige Gewässerabschnitte zur Fortpflanzung.
Ein gestörter Geschiebetransport kann solche Habitate verschlechtern.
Restwasser
Wird ein Teil des Flusswassers durch einen Kraftwerkskanal geleitet, kann im ursprünglichen Flussbett deutlich weniger Wasser verbleiben.
Diese verbleibende Menge wird als Restwasser bezeichnet.
Ökologischer Mindestabfluss
Ausreichendes Restwasser ist notwendig, um Lebensräume, Sauerstoffversorgung und Gewässerdurchgängigkeit zu erhalten.
Zu geringe Abflüsse können den ökologischen Zustand stark beeinträchtigen.
Stauregulierung
Wasserkraftwerke verändern natürliche Wasserstände und Strömungsgeschwindigkeiten. Fließende Gewässerabschnitte können in langsam strömende Stauhaltungen übergehen.
Dadurch verändern sich Lebensgemeinschaften.
Stillgewässerartige Bedingungen
Im Staubereich lagern sich mehr Sedimente ab und Wassertemperaturen können sich verändern.
Arten schnell fließender Gewässer können dadurch Lebensraum verlieren.
Schwall und Sunk
Speicher- und Spitzenlastkraftwerke können den Abfluss innerhalb kurzer Zeit stark verändern. Ein rascher Anstieg wird als Schwall, ein anschließender Rückgang als Sunk bezeichnet.
Diese künstlichen Schwankungen können Ufer- und Gewässerorganismen belasten.
Ökologische Folgen
Jungfische oder Wirbellose können bei schnellem Wasseranstieg verdriftet oder bei anschließendem Rückgang in flachen Bereichen eingeschlossen werden.
Eine angepasste Betriebsweise kann solche Effekte reduzieren.
Wassertemperatur
Stauseen können den natürlichen Temperaturverlauf von Flüssen verändern.
Je nachdem, aus welcher Tiefe Wasser entnommen wird, kann es unterhalb eines Damms ungewöhnlich kalt oder warm sein.
Temperaturempfindliche Arten
Viele Wasserorganismen sind an bestimmte Temperaturbereiche angepasst.
Langfristige Veränderungen können daher die Artenzusammensetzung beeinflussen.
Sauerstoffhaushalt
In tiefen Stauseen können sich Wasserschichten mit unterschiedlichen Temperaturen und Sauerstoffgehalten bilden.
Besonders in tieferen Bereichen kann Sauerstoff knapp werden.
Wasserabgabe
Wird sauerstoffarmes Tiefenwasser in einen Fluss abgegeben, kann dies die Gewässerqualität unterhalb des Kraftwerks beeinträchtigen.
Technische Belüftung kann teilweise Abhilfe schaffen.
Wasserkraft und Landschaft
Große Staudämme verändern Landschaften erheblich. Täler können überflutet und natürliche Flussläufe unterbrochen werden.
Dies betrifft sowohl Ökosysteme als auch menschliche Siedlungs- und Nutzungsräume.
Flächenüberflutung
Bei großen Stauseen können umfangreiche Landflächen dauerhaft unter Wasser gesetzt werden.
Dabei gehen terrestrische Lebensräume und landwirtschaftliche Flächen verloren.
Wasserkraft und Hochwasserschutz
Bestimmte Speicher können Wasser während hoher Abflüsse zurückhalten und dadurch Hochwasserspitzen reduzieren.
Die Schutzwirkung hängt jedoch vom verfügbaren Speicherraum und der Betriebsweise ab.
Zielkonflikte
Ein für Stromproduktion möglichst voller Speicher besitzt nur wenig freien Raum für Hochwasser.
Die Nutzung muss daher zwischen Energieerzeugung und Hochwasserschutz abgestimmt werden.
Wasserkraft und Trockenheit
Bei niedrigen Flussabflüssen sinkt die Stromproduktion vieler Wasserkraftwerke.
Längere Trockenperioden können die Energieerzeugung daher deutlich einschränken.
Klimawandel
Veränderte Niederschläge, frühere Schneeschmelze und längere Trockenperioden können die saisonale Verfügbarkeit von Wasserkraft verändern.
Die Auswirkungen unterscheiden sich regional stark.
Gletscherschmelze
In Gebirgsregionen können Gletscher einen Teil des sommerlichen Flussabflusses liefern.
Stärkere Schmelze kann zunächst mehr Wasser bereitstellen, langfristig aber den natürlichen Speicher verkleinern.
Langfristige Veränderung
Wenn Gletscher stark schrumpfen, steht in trockenen Sommermonaten weniger Schmelzwasser zur Verfügung.
Dies kann auch die Wasserkraftproduktion beeinflussen.
Wasserkraft im Stromsystem
Wasserkraft kann unterschiedliche Rollen im Stromsystem übernehmen. Laufwasserkraft liefert relativ kontinuierlich Strom, während Speicherkraft flexibel eingesetzt werden kann.
Pumpspeicher dienen zusätzlich als Energiespeicher.
Regelbarkeit
Speicherwasserkraft kann ihre Leistung oft schnell verändern.
Dadurch eignet sie sich zum Ausgleich schwankender Wind- und Solarstromproduktion.
Wasserkraft und Energiewende
Wasserkraft ist eine etablierte erneuerbare Energiequelle und kann einen wichtigen Beitrag zu einer klimafreundlichen Stromversorgung leisten.
Ihr weiterer Ausbau muss jedoch ökologische Grenzen von Flüssen und Gewässern berücksichtigen.
Modernisierung bestehender Anlagen
Bei bestehenden Kraftwerken kann eine technische Modernisierung zusätzliche Strommengen ermöglichen, ohne neue Flüsse vollständig zu verbauen.
Gleichzeitig können Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässerökologie integriert werden.
Renaturierung von Wasserkraftstandorten
Stillgelegte oder wirtschaftlich nicht mehr sinnvolle Anlagen können zurückgebaut werden.
Dadurch lässt sich die natürliche Durchgängigkeit eines Flusses teilweise wiederherstellen.
Rückbau von Wehren
Werden Querbauwerke entfernt, können Fische wieder frei wandern und Sedimente natürlicher transportiert werden.
Die Maßnahme kann daher große ökologische Wirkung besitzen.
Ökologische Abwägung
Wasserkraft erzeugt erneuerbaren Strom, greift gleichzeitig aber unmittelbar in Flussökosysteme ein.
Eine nachhaltige Bewertung muss Klimaschutz und Gewässerschutz gemeinsam berücksichtigen.
Standortabhängigkeit
Die Umweltwirkung unterscheidet sich stark zwischen einer modernisierten bestehenden Anlage und einem neuen Staudamm in einem naturnahen Fluss.
Pauschale Bewertungen sind deshalb nur begrenzt sinnvoll.
Zusammenfassung
Wasserkraft nutzt die Bewegungs- und Lageenergie von Wasser zur Stromerzeugung. Laufwasser-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke erfüllen unterschiedliche Aufgaben im Energiesystem und können Strom mit geringen direkten fossilen Emissionen bereitstellen.
Gleichzeitig beeinflussen Wasserkraftanlagen Fischwanderung, Sedimenttransport, Wasserstände und Lebensräume. Besonders wichtig sind daher ausreichende Restwassermengen, Gewässerdurchgängigkeit und eine sorgfältige Standortwahl. In der Energiewende bleibt Wasserkraft bedeutsam, ihr Ausbau muss jedoch eng mit den Zielen des Gewässer- und Naturschutzes abgestimmt werden.
