Regenerative Zukunft

  • Schrift vergrößern
  • Standard-Schriftgröße
  • Schriftgröße verkleinern

Wasserkraft

E-Mail Drucken PDF

… beschreibt die Nutzung der potentiellen und kinetischen Energie des Wassers, die in Wasserkraftwerken verschiedener Art zur Stromerzeugung oder auch Stromspeicherung genutzt wird. Im Folgenden wird die Verwendung, Entwicklung, die technischen Details, Wirtschaftlichkeit und Umwelteinflüsse der Wasserkraft ausführlich diskutiert.

 

Verwendung und Entwicklung

Zur Erzeugung von Strom aus Wasserkraftwerken werden verschiedene Technologien genutzt: Die verbreitetste sind Staukraftwerk bzw. Speicherkraftwerke mit ihren charakteristischen Stauseen, gefolgt von Laufwasserkraftwerken direkt an Flussläufen. Diese 3 Arten von Wasserkraftwerken, die auf dem Festland errichtet werden, sind ab nun unter dem Begriff “konventionelle Wasserkraftwerke” zusammengefasst. Auf dem Vormarsch sind zudem die so genannten Meereskraftwerke wie zum Beispiel Gezeitenkraftwerke, die den Wasserhub zwischen Flut und Ebbe nutzen, Wellenkraftwerke, welche die Energie der Wellenbewegung in Strom umwandeln und Osmosekraftwerke die den Salzkonzentrationsausgleich zwischen Süß- und Salzwasser nutzen. Zuletzt sind vor allem die Strömungskraftwerke eine aussichtsreiche Technologie die Windkraftanlagen ähneln, jedoch unter Wasser. Die verschiedenen Ansätze werden im Abschnitt Technik (weiter unten) ausführlicher diskutiert. Während die Energieumwandlung selbst nur mit sehr geringen Umweltbelastungen verbunden ist, wird bei der Errichtung einer Wasserkraftanlage meist massiv in das vorhandene Ökosystem eingegriffen, was im Abschnitt Umwelteinflüsse (letztes Kapitel) genauer diskutiert wird.

Der große Charme vor allem von konventionellen Wasserkraftwerken liegt in deren Fähigkeit Strom in Form von potentieller Energie zu speichern. Somit können Fluktuationen bei der Stromerzeugung, beispielsweise aus Wind- und Sonnenenergie, teilweise ausgeglichen werden.

 

 

In Bezug auf die globale Primärenergiebereitstellung von insgesamt circa 12.000 Millionen Tonnen Öläquivalent (Mt oe, 1 t oe= 11,63 MWh) wird durch die Wasserkraft nur ein kleiner Anteil von 2,2% abgedeckt (Jahr 2008). Vergleicht man diesen Deckungsanteil mit dem von Erdöl mit 33,2%, Kohle mit 27,0%, Erdgas mit 21,1%, Kernenergie mit 5,8% und Biomasse mit 10% ist der Anteil der Wasserkraft an der Gesamtenergiebereitstellung gering [1]. Betrachtet man jedoch die globale Stromerzeugung von insgesamt circa 20.000 Terawattstunden (TWh) jährlich, so weist die Wasserkraft an dieser mit 15,9% einen wesentlich höheren Anteil auf. Verglichen mit dem Deckungsanteil von Erdöl von nur 5,5%, Kohle mit 41,0%, Erdgas mit 21,3%, Kernenergie mit 13,5% und Biomasse mit unter 2% weist die Wasserkraft nach Kohle und Erdgas den wichtigsten Stromerzeuger der Welt auf [1]. Sie ist somit zudem die bedeutendste erneuerbare Energiequelle für die Stromerzeugung.

 

 

In Abbildung 1 ist die Entwicklung der Wasserkraftnutzung der letzten 15 Jahre dargestellt (bis 2009). Zu erkennen ist, dass nur in Asien neue Kapazitäten zugebaut wurden während die Wasserkraftstromerzeugung in Amerika und Europa nahezu konstant ist. Die gesamte globale Primärenergiebereitstellung durch Wasserkraft betrug im Jahr 2009 3270 Terrawattstunden. In Abbildung 2 ist die gesamte Stromerzeugung durch Wasserkraft nach Ländern sortiert dargestellt. Klar zu erkennen ist, dass China, Brasilien und Kanada die größten Wasserkraftwerkskapazitäten im Land besitzen, gefolgt von den USA, Norwegen, Russland und Indien. Der Anteil von Deutschland mit 18,5 TWh pro Jahr ist mit 0,6% verschwindend gering. In Europa sind Russland (157 TWh/a) und Norwegen (127 TWh/a) bedeutsame Stromproduzenten aus Wasserkraft, gefolgt von Frankreich (58 TWh/a), Schweden (47 TWh/a), Italien (46 TWh/a), Österreich, Schweiz und der Türkei (jeweils 37TWh/a) [2].

 

 

Die Nutzung der Wasserkraft ist über die letzten Jahrzehnte für alle Länder in Europa nahezu konstant geblieben, wie es auch in Abbildung 3 für Deutschland erkennbar ist. Einzige Ausnahme hierbei bildet Norwegen mit einer leichten Zunahme. Der Grund, dass die Wasserkraftnutzung in Europa (ausgenommen Norwegen) nicht ausgebaut wird, sind die nahezu erschöpften Möglichkeiten für den Neubau von Wasserkraftwerken. In Tabelle 1 sind die Potenziale für den Ausbau von Wasserkraftwerken weltweit nach Kontinenten untergliedert aufgezeigt. Dabei wird zwischen theoretischen Potenzialen, technischen und wirtschaftlichen Potenzialen unterschieden. Vor allem das wirtschaftliche und technisch umsetzbare Potenzial spielt eine wesentlich Rolle um einschätzen zu können, wie viel Wasserkraft im Land mit technisch machbaren und finanziell rentablen Aufwand umsetzbar ist. Aus dieser Tabelle wird ersichtlich, dass Europa, Australien, Nord- und Mittelamerika kaum über Möglichkeiten eines weiteren Ausbaus der Wasserkraft verfügen. Afrika, Südamerika und Asien hingegen verfügen noch über weitreichende Möglichkeiten um ihren Wasserkraftanteil an der Stromerzeugung zu erhöhen [4]. Auch für Deutschland ist das wirtschaftliche Potenzial bereits ausgeschöpft. Lediglich Norwegen verfügt nach dieser Studie noch über ein nennenswertes Ausbaupotenzial. Außer Acht gelassen wurde hier jedoch das Potenzial der Meereskraftwerke, welches bisher noch nicht ausreichend erfasst ist. Natürlich sind hier vor allem Länder mit großem Küstenanteil, vor allem zu offenen Ozeanen, bevorzugt.

 

 

Technik

In einem Wasserkraftwerk wird die kinetische Energie des Wasser in mechanische Energie bzw. elektrische Energie umwandelt. Es gibt verschiedenste Arten von Wasserkraftwerken. Die bisher bekanntesten sind die Laufwasserkraftwerke und die Speicherkraftwerke. Bei beiden wird das Wasser auf einem höheren Wasserniveau angestaut um dann durch eine Turbine in das tiefer gelegene Wasserreservoir zu fließen. Die Rotationsbewegung der Wasserturbine ist dabei mit einem Generator verbunden, der daraus Strom erzeugt. Der Aufbau solch einer Wasserturbine ist in Abbildung 4 gezeigt.

Die Leistung des Wasserkraftwerks ist in erster Linie (proportional) abhängig vom Wasserdurchfluss durch die Turbine und der Fallhöhe, welche die Höhendifferenz zwischen dem oberen und unteren Wasserspiegel bezeichnet. Zudem gehen natürlich der Wirkungsgrad der Wasserkraftanlage, also der Turbine, Generator, Transformator und Getriebe ein. Der Wirkungsgrad von heutigen Wasserkraftwerken ist mit bis zu 90% der höchste unter allen Kraftwerken die zur Stromgewinnung existieren. Die größte installierte Gesamtleistung weist das Staukraftwerk Drei-Schluchten-Damm in China mit 18 Gigawatt auf. Das entspricht der Leistung von etwa 18 größeren Kernkraftwerken oder 9000 Onshore-Windkraftanlagen.

 

a) Konventionelle Kraftwerke (auf dem Kontinent)

  • Laufwasserkraftwerke

nutzen die Strömung eines Flusses oder Kanals zur Stromerzeugung. Charakteristisch ist bei diesem Typ die niedrige Fallhöhe bei zugleich jedoch hohen Durchflussraten des Wassers. Die Anlagen werden aus wirtschaftlichen Gründen oft in Verbindung mit Schleusen gebaut. Eine Prinzipskizze eines Laufwasserkraftwerkes ist in Abbildung 5 aufgezeigt. Das Wasser wird an der Staumauer durch die Turbine geführt welche wiederum einen Generator antreibt. Laufwasserkraftwerke lohnen sich vor allem bei großen Flüssen mit hohem Wasserdurchsatz und Gefälle so dass die Staustufe, also die Fallhöhe des Wassers, möglichst groß ist. Die Energieerzeugung über Laufwasserkraftwerke ist leicht fluktuierend und hängt vom aktuellen Durchfluss ab.

 

  • Pumpspeicherkraftwerke

    nutzen das hohe Gefälle und die Speicherkapazität von Talsperren und Bergseen zur Stromerzeugung. Beim Pumpspeicherkraftwerk wird ein höher gelegener See über Druckrohrleitungen mit der im Tal liegenden Wasserkraftanlage verbunden wie es in Abbildung 6 dargestellt ist. In Zeiten erhöhten Strombedarf wird das Wasser durch die Rohrleitungen ins Tal gelassen. Durch die hohe Fallhöhe des Wassers fließt das Wasser sehr schnell durch die Rohre. Im Tal wird diese kinetische Energie des Wassers durch eine Wasserturbine in Strom umgewandelt und in das Netz eingespeist. In Zeiten von Stromüberangebot im Netz wird das Wasser hingegen einfach durch die Turbinen aus dem Tal in das obere Wasserreservoir gepumpt. Der Strom wird somit in mechanische Energie (Pumpleistung) zu potentieller Energie des Wassers im oberen Wasserreservoir umgewandelt. Somit werden Pumpspeicherkraftwerke im Gegensatz zu Laufwasserkraftwerken nicht durch natürliche Wasservorkommen, sondern durch zuvor aus dem Tal gepumptes Wasser betrieben. Pumpspeicherkraftwerke sind der derzeit effizienteste und wirtschaftlichste Weg Strom zu speichern und fungieren daher als Spitzenlastkraftwerk und können zum Beispiel die fluktuierenden Energieformen Wind und Wasser ausgleichen.

 

b) Meereskraftwerke

  • Konventionelle Gezeitenkraftwerke

funktionieren prinzipiell auch nach dem Staudammprinzip, das heißt es gibt einen Energie- und Wasserfluss von einem höherem Niveau zu einem tieferen. Gezeitenkraftwerke werden jedoch vor allem in Meeresbuchten und Flussmündungen errichtet um dort hervorgerufen durch den unterschiedlichen Wasserstand zwischen Flut und Ebbe Turbinen anzutreiben. Der Tidenhub (Differenz zwischen Wasserstand bei Ebbe und Flut) sollte mindestens 5m betragen, damit ein solches Gezeitenkraftwerk wirtschaftlich aussichtsreich arbeitet [6]. Nach Schätzungen wird diese Bedingung von mindestens 100 Standorten weltweit erfüllt und das weltweite Potenzial mit über 30.000 Megawatt angegeben [6]. Das Potenzial von Gezeitenkraftwerken in Deutschland wird wegen des geringen Tidenhubs an den Küsten von nur 2 bis 3,5 m als sehr gering eingeschätzt [6]. Bisher wurden Pläne zum Bau weiterer großer Gezeitenkraftwerke aus ökonomischen und ökologischen Bedenken nicht umgesetzt. Zudem sind bisherige Anlagen aufgrund des Salzwassers und der Sedimente im Wasser korrosionsanfällig. Die Staumauern stellen zudem massive Eingriffe in Flora und Fauna dar. Heutzutage werden aufgrund des massiven Eingriffes kaum noch neue Gezeitenkraftwerke in dieser Bauform errichtet. Stattdessen werden Meeresströmungskraftwerke errichtet.

 

  • Meeresströmungskraftwerke

sind Wasserkraftwerke, bei denen die natürlich Meeresströmung Turbinen antreibt, welche meist an einem Mast im Meeresboden verankert sind. Eine Prinzipskizze ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Meeresströmungen können dabei durch globale Wasserzirkulationen im Ozean hervorgerufen werden oder einfach durch den Tidenhub der Gezeiten. Das Prinzip ist analog zu den Windkraftanlagen. Die größten Vorteile dieser Technologie sind, dass Meeresströmungen kontinuierlich fließen und dass die Anlagen nicht sichtbar sind, da die Turbinen komplett im Wasser eingetaucht werden. Aufgrund der 800 Mal höheren Dichte von Wasser im Vergleich zu Luft reichen für diese Turbinen sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten aus, was auch einen wichtigen Punkt für Unterwasserlebewesen darstellt. Der Bau von Strömungskraftwerken ist somit schon bei durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeiten von knapp 10 km/h sinnvoll [6]. Eine Herausforderung ist die Korrosionsbeständigkeit des Stahls und Betons der Anlagen und der Lärm den sie unter Wasser durch ihre Rotationsbewegung verursachen. Vor der Küste Wales soll 2012 ein 1,2 MW Meeresströmungskraftwerk für einen Testbetrieb von 12 Monaten errichtet werden. Hier werden die starken Gezeitenströme ausgenutzt. In Deutschland ist das Potential hingegen verschwindend gering. Die Stromgestehungskosten werden momentan mit 15 bis 20 Cent pro Kilowattstunde angegeben, sollen jedoch im Zeitraum der nächsten 5 bis 10 Jahre auf 5 bis 10 Cent pro kWh fallen [6].

  • Wellenkraftwerke

nutzen die Energie der Meereswellen zur Erzeugung elektrischen Stroms, wobei der Tidenhub hierfür keine Rolle spielt die Höhendifferenz zwischen Wellenberg und -tal jedoch wesentlich ist. Eine typische Kategorisierung ist die Angabe der in einer Welle beinhalteten Energiemenge (kW) pro Meter Wellenwalze. Eine Karte über die Verteilung gemittelter Wellenenergien ist auf pelamiswave.com zu sehen. Diese Form der Stromerzeugung ist noch in der Entwicklung, jedoch aufgrund geringer Kosten und relativ einfacher Technik sehr viel versprechend für die Zukunft. Geeignete Standorte in Europa sind die Küsten Großbritanniens, Spaniens, Portugals, Irlands und Norwegens. In Schottland könnten bis zum Jahr 2020 rund vierzig Prozent des Strombedarfs auf diese Art gedeckt werden.

Die Nutzung der Wellenenergie ist mit verschiedenen Prinzipien möglich:

  • Pneumatische Kammer:

Wie in Abbildung 8 skizziert, wird hierbei in eine an der Küstenlinie fest installierten Kammer das Wasser durch die Wellen hinein gedrückt und wieder heraus gesogen. Der entstehende Druckunterschied der Kammerluft wird durch Kanäle, in denen sich Windgeneratoren befinden, ausgeglichen. Diese werden dadurch in Rotationsbewegung versetzt und erzeugen durch die ein- und ausströmende Luft Strom. Der Unstetigkeit der Energieabgabe, die mit jeder Welle schwankt, wird versucht mit Kurzzeitspeichern, beispielsweise Schwungrädern, beizukommen. Zudem werden die Schwankungen auch durch den parallelen Betrieb mehrerer Anlagen, die räumlich getrennt sind, geglättet. Erste Testanlagen existieren schon. Großanlagen sind in naher Zukunft zum Beispiel auf den Faröer Inseln geplant. Hier sollen 10 Turbinen jährlich 1,3 GWh Strom erzeugen wobei mit Investitionskosten von circa 10 Mio. € gerechnet wird [7].

  • Auftriebskörper / Seeschlangen

schwimmen auf der Wasseroberfläche und nutzen die mechanische Bewegung die von den Wellen ausgeht. Dazu werden mehrere Auftriebskörper durch Gelenke miteinander verbunden und somit zu einem an der Meeresoberfläche schwimmenden Teppich zusammengesetzt. Auf die in den Gelenken befindlichen Hydraulikzylinder wird durch die Wellen ein Druck ausgeübt. Dieser Druck wird an Turbinen und Generatoren in den Auftriebskörper weitergegeben und somit Strom erzeugt. Die Stromerzeugung ist natürlich auch hier ungleichmäßig, mittelt sich aber bei dem Einsatz vieler Anlagen. Pelamis war der erste Prototyp einer solchen Seeschlange und ist in Abbildung 8 zu sehen. Die Anlage hat eine Länge von 150 m bei 3,5 m Durchmesser und einer Nennleistung von 750 kW. Im Jahresmittel werden laut Hersteller aber nur 25–40% dieses Wertes erreicht. Bisheriges Hauptproblem ist die mangelnde Robustheit gegen sehr große Wellen. Eine Farm aus 40 Seeschlangenanlagen würde einen Quadratkilometer Wasserfläche beanspruchen und könnte 30 MW Strom liefern. Die Kosten für die Stromgewinnung wurden 2004 mit 10 Cent pro kWh angegeben, mit fallender Tendenz [8].

Neben diesen beiden viel versprechendsten Technologien gibt es noch eine Menge weiterer Ansätze die Wellenenergie zu nutzen. Alle beruhen letztendlich auf dem Prinzip die kinetische und potentielle Energie der Wellen in mechanische Energie und letztendlich in Strom umzuwandeln. Die verschiedenen Ansätze von Wellenkraftwerken werden im European Marine Energy Centre im Norden Schottlands getestet.

 

  • Osmose-/ Salzgradientenkraftwerke

nutzen Konzentrationsunterschiede zwischen verschiedenen Salzlösungen, wie zum Beispiel zwischen Süß- und Meerwasser, um daraus Strom zu gewinnen. Während die konventionellen Wasserkraftwerke die kinetische oder potentielle Energie des Wassers nutzen, wird beim Osmosekraftwerk die Mischungsentropie unterschiedlicher Salzkonzentrationen genutzt. Zwischen Salz- und Süßwasser wird eine halbdurchlässige Membran gebracht. Diese ist für Wasser durchlässig, jedoch nicht für das im Salzwasser gelöste Salz. Da jedoch Salz- und Süßwasser versuchen die Salzwasserkonzentration anzugleichen wird das Wasser durch den sich aufbauenden osmotischen Druck aus dem Süßwasserreservoir in das Salzwasserreservoir gezogen bzw. gedrückt. Das Salzwasser wird dadurch verdünnt und die Wassermenge in dem Reservoir steigt, wie in Abbildung 9 veranschaulicht. Der osmotische Druck der sich an der Membran zwischen Salz- und Süßwasser aufbauen kann bei einem Salzgehalt von 5% bis zu 27 bar erreichen. Durch diesen Druck kann die Wassersäule im Salzwasserreservoir auf bis zu 120 Meter angehoben werden. Diese enorme potentielle Energie des Mischwassers (Brackwasser) kann dann wie beim konventionellen Wasserkraftwerk Turbinen antreiben. Für diese Technologie eignen sich als mögliche Standorte vor allem Flussmündungen in salzhaltige Gewässer. Ein großer Vorteil dieser Technologie ist auch, dass diese nahezu keinen zufälligen Fluktuationen bei der Stromerzeugung unterliegt. Forschungsbedarf besteht noch in der Entwicklung der Membranen, welche Wasser durchlassen, Salz jedoch zurückhalten sollen. Sollten diese weiter verbessert werden, besteht für die Osmosekraftwerke ein enormes Potenzial um mit anderen Energiequellen wettbewerbsfähig zu sein. Momentan ist diese Technologie jedoch noch in der Entwicklungsphase und es gibt nur einige Pilotprojekte. Für Deutschland wird wohl auch diese Technologie nicht wirtschaftlich werden, da der Salzwassergehalt von Ostsee zu gering und der Konzentrationsgradient zwischen Salz- und Süßwasser an der Nordsee räumlich zu weit verteilt ist.

Neben den zahlreichen hier vorgestellten Wasserkraftwerkstypen gibt es noch einige weitere Ansätze auf die hier jedoch aufgrund geringer Potenziale und technischer Realisierbarkeit nicht weiter eingegangen werden soll.

 

 

Wirtschaftlichkeit

Die Frage ob Wasserkraftwerke wirtschaftlich sind, hängt sehr vom Standort, der verwendeten Technik und der Betriebsdauer der einzelnen Anlagenteile ab. Um die Stromgestehungskosten aus Wasserkraftwerken bestimmen zu können, muss man die Betriebsdauer des Kraftwerks berücksichtigen, da bei erneuerbaren Energien vor allem die Investitionskosten zur Errichtung und Herstellung der Anlagen ins Gewicht fallen. Gegenteiliges gilt bei fossilen Energien, bei denen vor allem die Rohstoffkosten den Strompreis vorgeben.

Große Laufwasser- und Speicherkraftwerke gehören heutzutage zu den günstigsten Stromerzeugungsarten. Wie bei allen Kraftwerksarten ist die Errichtung größerer Kraftwerksblöcke preiswerter. Die Abhängigkeiten der Investitionskosten von der Größe des Laufwasserkraftwerks ist in Abbildung 10 dargestellt. Kleine Wasserkraftanlagen zwischen 70 und 1.000 kW Leistung benötigen ein Investitionsvolumen zwischen 8.500 und 10.000 Euro je Kilowatt installierter Leistung. Bei einer typischen Auslastung von 4.000 bis 5.000 Volllaststunden pro Jahr liegen die Stromgestehungskosten einer solchen Anlage zwischen 10 und 20 Cent pro Kilowattstunde. Die spezifischen Investitionskosten bei Großanlagen (10 bis 100 MW) liegen zwischen 2.000 und 4.000 Euro pro installiertem kW. Die hieraus resultierenden Stromerzeugungskosten betragen somit nur 4,5 bis 10 Cent/kWh. Bei Reaktivierung oder Modernisierung bestehender Anlagen können Stromgestehungskosten zwischen 2,5 und 6,6 Cent/ kWh erreicht werden [5]. Da diese Technologie weitgehend ausgereift ist, werden hier jedoch keine großen Kostensenkungspotenziale mehr erwartet wie das bei den anderen erneuerbaren Energieformen der Fall ist.

Da Meereskraftwerke sich hingegen noch in der Entwicklungsphase befinden, ist es schwer hierfür Investitionskosten anzugeben. Beim Wellenkraftwerk (Seeschlange) zum Beispiel sollen die Stromgestehungskosten heutzutage schon nur noch 10 Cent pro Kilowattstunde betragen [7]. In den nächsten 10 Jahren wird eine Kostensenkung bis auf 4 Cent/kWh erwartet. Dann wären Wellenkraftwerke mit fossilen Energiequellen mehr als wettbewerbsfähig. Dies ist jedoch nur eine Abschätzung.

Langfristig werden bei einem Umstieg der Stromerzeugung auf erneuerbare Energien große Mengen an Energiespeichern benötigt um die fluktuierende Stromgewinnung durch Sonne und Wind an den aktuellen Bedarf anzupassen. Wasserkraftwerken kommen hierbei eine besondere Bedeutung zu. Pumpspeicherkraftwerke sind momentan die ökonomischste Art Strom zu speichern. In Deutschland gibt es hierfür jedoch nur sehr wenige günstige Standorte und das Ausbaupotenzial ist nahezu erschöpft. Daher müssen in Deutschland andere Speichertechnologien genutzt werden oder Stromnetzverbindungen zu Regionen mit größerem Potenzial für Pumpspeicherkraftwerke, wie zum Beispiel Norwegen, geschaffen werden.

 

 

Umwelteinflüsse

a) konventionelle Wasserkraftwerke (an Land)

Neben dem Grund, dass Wasserkraftanlagen sehr günstige Stromerzeugungskosten aufweisen, sind sie auch wegen ihres sehr geringen Treibhausgasausstoßes bei der Stromerzeugung im Vergleich zu den fossilen Energiequellen Kohle, Erdöl und Erdgas beliebt. Jedoch ist auch diese Technologie keineswegs CO2-neutral. Der Grund dafür, dass auch bei der Stromerzeugung aus Wasserkraftwerken ein Treibhausgasausstoß angegeben werden muss, liegt in dem energetisch aufwendigen Prozess der Herstellung und Errichtung des Wasserkraftwerks bei denen natürlich auch CO2 frei wird. Die Errichtung des Staudammes ist hier der treibende Faktor. Aktuell wird der CO2-Ausstoß für Wasserkraftwerke zwischen 13 g und 40 g pro erzeugte Kilowattstunde Strom angegeben. Das sind weniger als 4 % des Treibhausgasausstoßes der bei der Verbrennung von Kohle zur Stromgewinnung in die Atmosphäre abgegeben wird [11, 12, 13].

Eine andere wichtige Bezugsgröße der umweltbewussten Stromerzeugung ist die energetische Amortisationszeit bzw. Energierücklaufzeit von erneuerbaren Energiequellen. Diese ist wiederum stark vom Standort abhängig und beträgt nur 9 bis 13 Monate, also mehr als bei Windkraft aber leicht weniger als bei Photovoltaikanlagen [14]. Die üblich angenommene Betriebsdauer von Wasserkraftwerken beträgt 100 Jahre. Natürlich müssen in dieser Zeit Turbinen erneuert und andere Instandhaltungsarbeiten durchgeführt werden. Somit beträgt der Erntefaktor für konventionelle Wasserkraftwerke mehr als 50 für eine angenommene Lebensdauer von nur 100 Jahren. Das bedeutet, dass Wasserkraftanlagen mehr als 50 mal so viel Energie erzeugen, wie für ihre Herstellung nötig ist. Die Energiebilanz ist also wie auch bei Windkraftwerken sehr positiv.

Generell ist der Einfluss von Wasserkraftwerken auf das Ökosystem stark davon abhängig welche Kraftwerkstechnologie betrachtet wird. So weisen Staukraftwerke an Land ganz andere Eingriffe auf als Wellenkraftwerke auf Ozeanoberflächen oder Meeresströmungskraftwerke am Meeresboden. Der Aufstau eines Gewässers durch Staudämme, wie es bei konventionellen Wasserkraftwerken notwendig ist, stellt ohne Frage einen massiven Eingriff in sein Ökosystem dar. Zum einen wird der natürliche Geschiebe- und Schwebstoffhaushalt gestört. Außerdem behindern diese die Durchgängigkeit für Fische und andere Wasserlebewesen. Am wesentlichsten ist jedoch die Auswirkung auf den veränderten Uferbereich. Beim Neubau eines Wasserkraftwerkes kommt es meist zwangsläufig zu Umsiedlungen betroffener Anwohner, zur Zerstörung von Flora und Fauna und zur Erosion des Uferbereichs. All diesen Auswirkungen versucht man in den meisten Fällen natürlich bestmöglich entgegenzuwirken. So haben Flusskraftwerke im Generellen seitlich vom Staudamm sogenannte Fischtreppen an denen die Wasserbewohner die Barriere überwinden können. Anwohner die umgesiedelt werden müssen, werden im Allgemeinen entschädigt und ihnen wird ein neuer Lebensraum geboten, ähnlich wie das bei der Ausweitung von Tagebaue für Kohle, Uran und andere Rohstoffe der Fall ist.

Generell sind für kleinere Wasserkraftanlagen, also kleinere Staubecken, die ökologischen Anforderungen in der Regel einfacher zu beherrschen. Aus ökologischer Sicht ist es jedoch günstiger große Wasserkraftanlagen auszubauen, da hier der eingesparte Kohlendioxid-Ausstoß im Vergleich zum Eingriff in die Natur günstiger ausfällt [4]. Der geringste Eingriff in die Natur stellt die Erweiterung und Modernisierung bestehender Wasserkraftanlagen dar, die in Deutschland ein zusätzliches ökologisches Potenzial von mehr als 2 Terrawattstunden pro Jahr aufweisen [5].

Ein positiver Einfluss der durch die Errichtung von Wasserkraftwerken erreicht werden kann, ist die Verbesserung des Hochwasserschutzes und einen gleichmäßigeren Wasserablauf. In Zeiten geringen Wasserablaufs kann der Durchfluss durch das Flusskraftwerk erhöht werden und bei Starkregenereignissen das Staubecken als Puffer aufgefüllt werden. Dem steht jedoch wiederum der durch den Staudamm veränderte Grundwasserpegel gegenüber.

 

b) Meereskraftwerke:

Auch wenn sich alle Arten von Meereskraftwerken momentan eher noch in der Entwicklungsphase befinden, lassen sich auch heute schon deren Eingriffe in die Natur voraussagen. Dabei sind die Auswirkungen grundlegend anders als bei den konventionellen Wasserkraftwerken an Land, wobei hier konventionelle Gezeitenkraftwerke mit ihren Staubecken ausgenommen werden. Vor allem aber Wellen- und Osmosekraftwerke zeigen einen nur sehr geringen Einfluss auf das Ökosystem. Wellenkraftwerke schwimmen auf der der Meeresoberfläche und werden per Seekabel mit dem Festland vernetzt. Osmosekraftwerke entnehmen an Flussmündungen zum Meer sowohl der Meer- als auch der Flussseite Wasser und führen das Brackwasser ab. Beide Einwirkungen auf die Natur sind eher gering. Meeresströmungskraftwerke haben ähnliche ökologische Auswirkungen wie Windenergieanlagen, nur halt unter Wasser. Vor allem die Geräuschbelästigung ist hier zu nennen. Da die Drehbewegung der Rotoren aufgrund der 800 mal größeren Dichte von Wasser im Vergleich zu Luft sehr viel langsamer als die von Windenergieanlagen an Land ist, wird der Einfluss auf die Meeresbewohner als gering eingeschätzt. Ein ästhetischer Aspekt ist, dass Meereskraftwerke unter Wasser arbeiten und somit bis auf den Turm, der knapp über die Wasseroberfläche ragt, kaum sichtbar sind. Für den Treibhausgasausstoß für Meereskraftwerke, der vorwiegend aus der Anlagenherstellung und Errichtung resultiert, lässt sich noch relativ wenig sagen. Es wird jedoch erwartet, dass dieser ähnlich gering ist wie für die im oberen Absatz diskutierten konventionellen Wasserkraftwerke an Land.

Letztendlich sind vom ökologischen Standpunkt her nach heutigem Wissen Meereskraftwerke den konventionellen Wasserkraftwerken an Land zur Stromerzeugung vorzuziehen.

 


Zusammenfassung Wasserkraft – Pro und Contra

 

Pro

Contra

  • sehr geringer Treibhausgasausstoß (zwischen 13 bis 40 g CO2 pro kWh erzeugtem Strom) für konventionelle Wasserkraftwerke
  • keine endlichen Energierohstoffe nötig wie bei den fossilen Energieträgern und der Kernenergie

  • eine der wirtschaftlichsten erneuerbaren Energien

  • kurze Energierücklaufzeit von ungefähr einem Jahr
  • Pumpspeicherwerke sind preiswerte Energiespeicher
  • Starkes Entwicklungspotenzial der Gezeitenkraftwerke erwartet
  • Ausbaupotential für Wasserkraft ist in Deutschland nahezu erschöpft
  • meist starker Eingriff in das Ökosystem bei konventionellen Wasserkraftwerken (an Land), vor allem bei Stauseekraftwerken


 

Quellen:

[1] IEA: Key World Energy Statistics, 2010 (Link)

[2] BP Statistical Review of World Energy 2010

[3] BMU, Erneuerbare Energien in Zahlen, 2010 (Link )

[4] Prof.Horlacher (WBGU): Globale Potenziale der Wasserkraft, 2003

[5] BMU, Erneuerbare Energien – Innovationen für die Zukunft, 2004 (Link)

[6] Lübbert, Das Meer als Energiequelle, 2005 (Link)

[7] http://de.wikipedia.org/wiki/Wellenkraftwerk

[8] http://de.wikipedia.org/wiki/Seeschlange_%28Wellenkraftwerk%29

[9] Hadhuey, Creative Commons, 16.11.2011 (Link)

[10] P123, Wikimedia Commons, 16.11.2011 (Link)

[11] Fritsche U.: Comparison of Greenhouse-Gas Emissions and Abatement Cost of Nuclear and Alternative Energy Options from a Life-Cycle Perspective, 2006

[12] Krewitt W., Schlomann, B.: Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern, 2006 (Link )

[13] http://www.co2-emissionen-vergleichen.de/Stromerzeugung/CO2-Vergleich-Stromerzeugung.html

[14] http://www.greenpeace.de/fileadmin/gpd/user_upload/themen/energie/greenpeace_hintergrund_solargeneration_fahrplan.pdf

[15] Feldoncommon, Creative Commons, 16.11.2011 (Link)

 


Beitrag erstellt von Christoph Schünemann (November 2011)

Zuletzt aktualisiert am Mittwoch, den 18. April 2012 um 13:00 Uhr  

Creative Commons Lizenzvertrag Regenerative-Zukunft.de von Christoph Schünemann steht unter einer Creative Commons Namensnennung-Nicht-kommerziell 3.0 Deutschland Lizenz. Abbildungen und Inhalte mit zusätzlicher Quellenangabe fallen nicht unter diese Lizenz. Namentlich gekennzeichnete Artikel stammen von den jeweiligen Autoren. Sie fallen unter dieselbe Lizenz solange nichts anderes vermerkt ist.