Weltweit erzeugen Wasserkraftwerke rund 24 Prozent des globalen Stroms und versorgen über eine Milliarde Menschen mit Energie. Laut dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) produzieren die Wasserkraftwerke weltweit insgesamt 675.000 Megawatt, was der Energie von 3,6 Milliarden Barrel Öl entspricht. In den Vereinigten Staaten sind über 2.000 Wasserkraftwerke in Betrieb, womit Wasserkraft die größte erneuerbare Energiequelle des Landes ist.
In diesem Artikel erfahren Sie, wie fließendes Wasser Energie erzeugt und lernen den Wasserkreislauf kennen, der den für Wasserkraft notwendigen Wasserfluss ermöglicht. Außerdem erhalten Sie einen Einblick in eine besondere Anwendung der Wasserkraft, die Ihren Alltag beeinflussen könnte.
Wenn man einen Fluss vorbeifließen sieht, kann man sich seine gewaltige Kraft kaum vorstellen. Wer schon einmal Wildwasser-Rafting gemacht hat, hat einen kleinen Teil dieser Kraft gespürt. Stromschnellen entstehen, wenn ein Fluss, der große Wassermengen bergab transportiert, sich durch eine enge Stelle verengt. Beim Durchströmen dieser Engstelle beschleunigt sich seine Strömung. Überschwemmungen sind ein weiteres Beispiel dafür, welch enorme Kraft in gewaltigen Wassermassen stecken kann.
Wasserkraftwerke nutzen die Energie des Wassers und wandeln diese mithilfe einfacher Mechanik in Strom um. Das Prinzip von Wasserkraftwerken ist im Grunde recht simpel: Wasser, das durch einen Staudamm fließt, treibt eine Turbine an, die wiederum einen Generator antreibt.
Hier sind die grundlegenden Komponenten eines konventionellen Wasserkraftwerks:
Staudamm – Die meisten Wasserkraftwerke nutzen einen Staudamm, der das Wasser zurückhält und so einen großen Stausee bildet. Dieser Stausee wird oft als Badesee genutzt, wie beispielsweise der Lake Roosevelt am Grand Coulee Dam im US-Bundesstaat Washington.
Einlass – Die Schleusentore des Staudamms öffnen sich, und die Schwerkraft zieht das Wasser durch die Druckleitung, eine Rohrleitung, die zur Turbine führt. Das Wasser baut beim Durchfließen dieser Leitung Druck auf.
Turbine – Das Wasser trifft auf die großen Schaufeln einer Turbine und versetzt sie in Drehung. Die Turbine ist über eine Welle mit einem darüber liegenden Generator verbunden. Der gebräuchlichste Turbinentyp für Wasserkraftwerke ist die Francis-Turbine, die wie eine große Scheibe mit gebogenen Schaufeln aussieht. Laut der Foundation for Water & Energy Education (FWEE) kann eine Turbine bis zu 172 Tonnen wiegen und sich mit 90 Umdrehungen pro Minute (U/min) drehen.
Generatoren – Mit der Drehung der Turbinenschaufeln drehen sich auch die Magnete im Inneren des Generators. Riesige Magnete rotieren an Kupferspulen vorbei und erzeugen durch die Bewegung von Elektronen Wechselstrom. (Mehr über die Funktionsweise des Generators erfahren Sie später.)
Transformator – Der Transformator im Kraftwerk nimmt den Wechselstrom auf und wandelt ihn in eine höhere Spannung um.
Stromleitungen – Aus jedem Kraftwerk gehen vier Leitungen hervor: die drei gleichzeitig erzeugten Phasen des Stroms sowie ein gemeinsamer Neutralleiter oder Erdungsleiter. (Lesen Sie „Wie Stromverteilungsnetze funktionieren“, um mehr über die Stromübertragung zu erfahren.)
Abfluss – Das verbrauchte Wasser wird durch Rohrleitungen, sogenannte Abflussrohre, geleitet und gelangt flussabwärts wieder in den Fluss.
Das Wasser im Stausee dient als Energiespeicher. Beim Öffnen der Schleusentore wird das durch die Druckleitung fließende Wasser in kinetische Energie umgewandelt. Die erzeugte Strommenge hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zwei dieser Faktoren sind das Wasservolumen und die Fallhöhe. Die Fallhöhe bezeichnet den Abstand zwischen der Wasseroberfläche und den Turbinen. Mit zunehmender Fallhöhe und steigendem Wasservolumen steigt auch die erzeugte Strommenge. Die Fallhöhe ist üblicherweise vom Wasserstand im Stausee abhängig.
Es gibt noch eine weitere Art von Wasserkraftwerk, das sogenannte Pumpspeicherkraftwerk. In einem konventionellen Wasserkraftwerk fließt das Wasser aus dem Stausee durch das Kraftwerk, tritt aus und wird flussabwärts transportiert. Ein Pumpspeicherkraftwerk verfügt über zwei Stauseen:
Oberer Stausee – Ähnlich wie bei einem herkömmlichen Wasserkraftwerk entsteht durch einen Damm ein Stausee. Das Wasser in diesem Stausee fließt durch das Wasserkraftwerk, um Strom zu erzeugen.
Unteres Speicherbecken – Das aus dem Wasserkraftwerk austretende Wasser fließt in ein unteres Speicherbecken, anstatt wieder in den Fluss einzufließen und flussabwärts zu fließen.
Mithilfe einer reversiblen Turbine kann das Kraftwerk Wasser in den oberen Speicher zurückpumpen. Dies geschieht außerhalb der Spitzenzeiten. Im Wesentlichen füllt der zweite Speicher den oberen Speicher wieder auf. Durch das Zurückpumpen von Wasser in den oberen Speicher steht dem Kraftwerk während der Spitzenzeiten mehr Wasser zur Stromerzeugung zur Verfügung.
Der Generator
Das Herzstück eines Wasserkraftwerks ist der Generator. Die meisten Wasserkraftwerke verfügen über mehrere dieser Generatoren.
Der Generator erzeugt, wie Sie vielleicht schon vermutet haben, Strom. Das grundlegende Verfahren zur Stromerzeugung auf diese Weise besteht darin, eine Reihe von Magneten in Drahtspulen zu drehen. Dadurch werden Elektronen bewegt, wodurch elektrischer Strom entsteht.
Der Hoover-Staudamm verfügt über insgesamt 17 Generatoren, von denen jeder bis zu 133 Megawatt erzeugen kann. Die Gesamtkapazität des Wasserkraftwerks Hoover-Staudamm beträgt 2.074 Megawatt. Jeder Generator besteht aus bestimmten Grundbauteilen:
Welle
Erreger
Rotor
Stator
Während sich die Turbine dreht, sendet der Erreger einen elektrischen Strom an den Rotor. Der Rotor besteht aus einer Reihe großer Elektromagnete, die sich in einer eng gewickelten Kupferspule, dem sogenannten Stator, drehen. Das Magnetfeld zwischen der Spule und den Magneten erzeugt einen elektrischen Strom.
Im Hoover-Staudamm fließt ein Strom von 16.500 Ampere vom Generator zum Transformator, wo er auf 230.000 Ampere ansteigt, bevor er weitergeleitet wird.
Wasserkraftwerke nutzen einen natürlichen, kontinuierlichen Prozess – den Prozess, der Regen und Flusspegel steigen lässt. Täglich verliert unsere Erde durch die UV-Strahlung, die Wassermoleküle in der Atmosphäre aufspaltet, eine geringe Menge Wasser. Gleichzeitig wird aber durch vulkanische Aktivität neues Wasser aus dem Erdinneren freigesetzt. Die Menge des neu entstehenden und des verlorenen Wassers hält sich in etwa die Waage.
Das gesamte Wasservolumen der Erde liegt jederzeit in vielen verschiedenen Aggregatzuständen vor. Es kann flüssig sein, wie in Ozeanen, Flüssen und Regen; fest, wie in Gletschern; oder gasförmig, wie der unsichtbare Wasserdampf in der Luft. Wasser ändert seinen Aggregatzustand, wenn es durch Windströmungen über den Planeten transportiert wird. Windströmungen entstehen durch die Sonneneinstrahlung. Luftströmungszyklen entstehen dadurch, dass die Sonne den Äquator stärker bescheint als andere Regionen der Erde.
Luftströmungen treiben den Wasserkreislauf der Erde an, der als hydrologischer Kreislauf bezeichnet wird. Wenn die Sonne flüssiges Wasser erwärmt, verdunstet dieses in der Luft. Die Sonne erwärmt die Luft, wodurch diese in der Atmosphäre aufsteigt. Da die Luft in höheren Schichten kälter ist, kühlt der aufsteigende Wasserdampf ab und kondensiert zu Tröpfchen. Sammeln sich genügend Tröpfchen an einem Ort, können sie schwer genug werden, um als Niederschlag auf die Erde zurückzufallen.
Der Wasserkreislauf ist für Wasserkraftwerke von großer Bedeutung, da sie auf den Wasserfluss angewiesen sind. Bleibt es in der Nähe des Kraftwerks trocken, sammelt sich oberhalb des Kraftwerks kein Wasser. Dadurch fließt weniger Wasser durch das Kraftwerk und es wird weniger Strom erzeugt.
Veröffentlichungsdatum: 07.07.2021
