Weltweit produzieren Wasserkraftwerke rund 24 Prozent des Stroms und versorgen mehr als eine Milliarde Menschen mit Strom. Laut dem National Renewable Energy Laboratory (NREE) erzeugen die Wasserkraftwerke weltweit insgesamt 675.000 Megawatt, was 3,6 Milliarden Barrel Öl entspricht. In den USA sind über 2.000 Wasserkraftwerke in Betrieb, was die Wasserkraft zur größten erneuerbaren Energiequelle des Landes macht.
In diesem Artikel untersuchen wir, wie fallendes Wasser Energie erzeugt, und erfahren mehr über den Wasserkreislauf, der den für die Wasserkraft wichtigen Wasserfluss erzeugt. Außerdem erhalten Sie einen Einblick in eine einzigartige Anwendung der Wasserkraft, die Ihr tägliches Leben beeinflussen kann.
Wenn man einem Fluss beim Vorbeiströmen zusieht, kann man sich seine Kraft kaum vorstellen. Wer schon einmal Wildwasser-Rafting gemacht hat, hat die Kraft des Flusses schon einmal gespürt. Wildwasser-Stromschnellen entstehen, wenn ein Fluss, der eine große Wassermenge bergab transportiert, durch eine Engstelle strömt. Durch diese Öffnung wird die Strömung schneller. Hochwasser sind ein weiteres Beispiel dafür, wie viel Kraft eine enorme Wassermenge haben kann.
Wasserkraftwerke nutzen die Energie des Wassers und wandeln sie mithilfe einfacher Mechanismen in Elektrizität um. Das Prinzip von Wasserkraftwerken ist recht einfach: Durch einen Damm fließendes Wasser treibt eine Turbine an, die wiederum einen Generator antreibt.
Hier sind die Grundkomponenten eines konventionellen Wasserkraftwerks:
Die Welle, die Turbine und Generator verbindet
Staudamm – Die meisten Wasserkraftwerke sind auf einen Staudamm angewiesen, der das Wasser zurückhält und so einen großen Stausee bildet. Oft wird dieser Stausee als Freizeitsee genutzt, wie beispielsweise der Lake Roosevelt am Grand Coulee Dam im Bundesstaat Washington.
Einlass – Die Schleusen am Damm öffnen sich und die Schwerkraft zieht das Wasser durch die Druckrohrleitung, die zur Turbine führt. Beim Durchfließen dieses Rohrs baut sich Druck auf.
Turbine – Das Wasser trifft auf die großen Rotorblätter einer Turbine und dreht diese. Diese ist über eine Welle mit einem darüberliegenden Generator verbunden. Der gängigste Turbinentyp für Wasserkraftwerke ist die Francis-Turbine, eine große Scheibe mit gebogenen Rotorblättern. Laut der Foundation for Water & Energy Education (FWEE) kann eine Turbine bis zu 172 Tonnen wiegen und sich mit einer Drehzahl von 90 Umdrehungen pro Minute drehen.
Generatoren – Wenn sich die Turbinenblätter drehen, drehen sich auch Magnete im Generator. Riesige Magnete rotieren an Kupferspulen vorbei und erzeugen durch die Bewegung von Elektronen Wechselstrom. (Weitere Informationen zur Funktionsweise des Generators finden Sie später.)
Transformator – Der Transformator im Kraftwerk nimmt den Wechselstrom auf und wandelt ihn in Strom mit höherer Spannung um.
Stromleitungen – Aus jedem Kraftwerk kommen vier Leitungen: die drei Phasen des gleichzeitig erzeugten Stroms sowie ein gemeinsamer Neutralleiter bzw. Erdleiter. (Lesen Sie „Wie Stromverteilungsnetze funktionieren“, um mehr über die Stromleitungsübertragung zu erfahren.)
Abfluss – Verbrauchtes Wasser wird durch Rohrleitungen, sogenannte Unterwasserkanäle, abgeführt und gelangt flussabwärts wieder in den Fluss.
Das Wasser im Stausee gilt als gespeicherte Energie. Sobald sich die Schleusen öffnen, wird das durch die Druckrohrleitung fließende Wasser durch die Bewegung in kinetische Energie umgewandelt. Die erzeugte Strommenge wird von mehreren Faktoren bestimmt. Zwei dieser Faktoren sind die Durchflussmenge und die hydraulische Fallhöhe. Die Fallhöhe bezeichnet den Abstand zwischen der Wasseroberfläche und den Turbinen. Mit zunehmender Fallhöhe und Durchfluss steigt auch die erzeugte Strommenge. Die Fallhöhe hängt in der Regel von der Wassermenge im Stausee ab.
Es gibt noch eine weitere Art von Wasserkraftwerk: das Pumpspeicherwerk. In einem konventionellen Wasserkraftwerk fließt das Wasser aus dem Reservoir durch das Kraftwerk, tritt aus und wird flussabwärts geleitet. Ein Pumpspeicherwerk verfügt über zwei Reservoirs:
Oberes Reservoir – Wie bei einem konventionellen Wasserkraftwerk bildet ein Staudamm einen Stausee. Das Wasser in diesem Reservoir fließt durch das Wasserkraftwerk und erzeugt so Strom.
Unteres Reservoir – Das Wasser, das das Wasserkraftwerk verlässt, fließt in ein unteres Reservoir, anstatt wieder in den Fluss zu gelangen und flussabwärts zu fließen.
Mithilfe einer reversiblen Turbine kann das Kraftwerk Wasser zurück in das obere Reservoir pumpen. Dies geschieht außerhalb der Spitzenzeiten. Im Wesentlichen füllt das zweite Reservoir das obere Reservoir wieder auf. Durch das Zurückpumpen des Wassers in das obere Reservoir steht dem Kraftwerk in Spitzenzeiten mehr Wasser zur Stromerzeugung zur Verfügung.
Der Generator
Das Herzstück des Wasserkraftwerks ist der Generator. Die meisten Wasserkraftwerke verfügen über mehrere solcher Generatoren.
Der Generator erzeugt, wie Sie vielleicht schon vermutet haben, den Strom. Der grundlegende Prozess der Stromerzeugung besteht darin, eine Reihe von Magneten in Drahtspulen rotieren zu lassen. Dadurch werden Elektronen bewegt, wodurch elektrischer Strom entsteht.
Der Hoover-Staudamm verfügt über insgesamt 17 Generatoren, die jeweils bis zu 133 Megawatt erzeugen können. Die Gesamtkapazität des Wasserkraftwerks Hoover-Staudamm beträgt 2.074 Megawatt. Jeder Generator besteht aus bestimmten Grundkomponenten:
Wenn 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 Kupferdrahtspule, dem sogenannten Stator, drehen. Das Magnetfeld zwischen Spule und Magneten erzeugt einen elektrischen Strom.
Im Hoover-Staudamm fließt ein Strom von 16.500 Ampere vom Generator zum Transformator, wo der Strom vor der Übertragung auf 230.000 Ampere ansteigt.
Wasserkraftwerke nutzen einen natürlichen, kontinuierlichen Prozess – den Prozess, der Regen fallen und Flüsse ansteigen lässt. Unser Planet verliert täglich eine kleine Menge Wasser über die Atmosphäre, da ultraviolette Strahlen Wassermoleküle aufspalten. Gleichzeitig wird durch vulkanische Aktivität neues Wasser aus dem Erdinneren freigesetzt. Die Menge des entstehenden und des verlorenen Wassers ist ungefähr gleich.
Das gesamte Wasservolumen der Erde liegt zu jedem Zeitpunkt in vielen verschiedenen Formen 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 verändert seinen Aggregatzustand, wenn es von Windströmungen um den Planeten bewegt wird. Windströmungen entstehen durch die wärmende Wirkung der Sonne. Luftströmungszyklen entstehen dadurch, dass die Sonne am Äquator stärker scheint als in anderen Regionen der Erde.
Luftströmungen treiben die Wasserversorgung der Erde durch einen eigenen Kreislauf an, den sogenannten Wasserkreislauf. Wenn die Sonne flüssiges Wasser erwärmt, verdunstet es in der Luft zu Dampf. Die Sonne erwärmt die Luft, wodurch sie in der Atmosphäre aufsteigt. In höheren Lagen ist die Luft kälter, sodass der aufsteigende Wasserdampf abkühlt und zu Tröpfchen kondensiert. Wenn sich genügend Tröpfchen an einem Ort ansammeln, können diese schwer genug werden, um als Niederschlag auf die Erde zurückzufallen.
Der Wasserkreislauf ist für Wasserkraftwerke wichtig, da sie vom Wasserfluss abhängig sind. Fällt es in der Nähe des Kraftwerks nicht, sammelt sich das Wasser nicht flussaufwärts. Dadurch fließt weniger Wasser durch das Kraftwerk und es wird weniger Strom erzeugt.
Die Grundidee der Wasserkraft besteht darin, die Kraft einer fließenden Flüssigkeit zum Antrieb von Turbinenschaufeln zu nutzen. Normalerweise muss hierfür ein großer Damm mitten im Fluss errichtet werden. Eine neue Erfindung nutzt die Idee der Wasserkraft in deutlich kleinerem Maßstab, um tragbare elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.
Der Erfinder Robert Komarechka aus Ontario, Kanada, hatte die Idee, kleine Wasserkraftgeneratoren in Schuhsohlen zu integrieren. Er glaubt, dass diese Mikroturbinen genug Strom erzeugen könnten, um fast jedes Gerät anzutreiben. Im Mai 2001 erhielt Komarechka ein Patent für sein einzigartiges fußbetriebenes Gerät.
Unser Gang folgt einem ganz einfachen Prinzip: Bei jedem Schritt setzt der Fuß von der Ferse auf die Zehen. Beim Aufsetzen auf dem Boden wird die Kraft über die Ferse übertragen. Bereitet man sich auf den nächsten Schritt vor, rollt man den Fuß nach vorne, sodass die Kraft auf den Fußballen übertragen wird. Komarechka hat dieses Grundprinzip des Gehens offenbar erkannt und eine Idee entwickelt, die Kraft dieser alltäglichen Bewegung zu nutzen.
Komarechkas „Schuhwerk mit Wasserkraftgenerator-Baugruppe“ besteht laut Patent aus fünf Teilen:
Flüssigkeit – Das System verwendet eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit.
Beutel zur Aufnahme der Flüssigkeit – Ein Beutel befindet sich in der Ferse und ein anderer im Zehenbereich des Schuhs.
Leitungen – Leitungen verbinden jeden Sack mit einem Mikrogenerator.
Turbine – Wenn sich das Wasser in der Sohle hin und her bewegt, bewegt es die Flügel einer winzigen Turbine.
Mikrogenerator – Der Generator befindet sich zwischen den beiden flüssigkeitsgefüllten Säcken und umfasst einen Flügelrotor, der eine Welle antreibt und den Generator dreht.
Beim Gehen drückt die Flüssigkeit im Beutel im Schuhabsatz die Flüssigkeit durch die Leitung in das hydroelektrische Generatormodul. Beim Weitergehen hebt sich die Ferse und übt Druck auf den Beutel unter dem Fußballen aus. Die Flüssigkeitsbewegung dreht Rotor und Welle und erzeugt so Strom.
Eine Außensteckdose ermöglicht den Anschluss tragbarer Geräte. Eine Stromsteuereinheit kann am Gürtel getragen werden. Elektronische Geräte können an diese Stromsteuereinheit angeschlossen werden, die für eine stabile Stromversorgung sorgt.
„Mit der zunehmenden Anzahl batteriebetriebener, tragbarer Geräte“, heißt es in dem Patent, „steigt auch der Bedarf an einer langlebigen, anpassungsfähigen und effizienten Stromquelle.“ Komarechka geht davon aus, dass sein Gerät zur Stromversorgung von tragbaren Computern, Mobiltelefonen, CD-Playern, GPS-Empfängern und Funkgeräten eingesetzt wird.
Veröffentlichungszeit: 21. Juli 2022
