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Energie Macht Schule
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Wasserkraft

ist eine regenerative Energiequelle, bei der potenzielle oder kinetische Energie über Turbinen in Rotationsenergie umgewandelt wird. Wasserkraft ist nicht nur frei von Kohlendioxid, seine Produktion unterliegt im Gegensatz zu Strom aus Wind und Sonne kaum Schwankungen. Damit ist Wasserkraft eine sehr berechenbare natürliche Energiequelle.

Die Nutzung der Wasserkraft hat eine sehr lange Tradition, denn Wasserräder wurden schon in der Antike eingesetzt. In Deutschland reicht diese Art der Nutzung bis ins 19. Jahrhundert zurück und erfolgt weitestgehend in Laufwasserkraftwerken, die die Strömungsenergie der Flüsse in Strom umwandeln. In den gebirgsreichen Regionen Europas erfolgt die Wasserkraftnutzung durch Speicherkraftwerke.

Wasserkraftwerk WalchenseeAuch im 21. Jahrhundert ist die Nutzung der Wasserkraft aktueller denn je. 2016 leistete die Wasserkraft mit 20,7 Milliarden Kilowattstunden einen großen Beitrag zur Stromerzeugung. Das entspricht etwa gut drei Prozent des in Deutschland erzeugten Stroms beziehungsweise gut 11 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien. 2016 waren hierzulande über 7.000 Anlagen mit einer Leistung von zusammen rund 4.100 Megawatt in Betrieb.

Die potenzielle Energie aller Gewässer ist mit jährlich 37.000 Milliarden Kilowattstunden enorm. Weltweit erbringt die Wasserkraft aktuell rund 16 Prozent der Stromerzeugung. In Europa gibt es besonders günstige Bedingungen in Norwegen, wo mit 140 Milliarden Kilowattstunden Strom 98 Prozent der landesweiten Erzeugung aus Wasserkraftwerken stammt. Das Land könnte im europäischen Energiebinnenmarkt in Zukunft eine wichtige Speicherfunktion übernehmen und zur "Batterie Europas“ werden.

Die meisten Wasserkraftwerke in Deutschland befinden sich in den Bundesländern Bayern, Baden-Württemberg, Hessen, Rheinland-Pfalz und Thüringen. Voraussetzungen für die Nutzung der Wasserkraft sind genügend Wasser und eine ausreichende Fallhöhe. Durch das Gefälle kann dann mit der Fließgeschwindigkeit eine oder mehrere Wasserturbinen betrieben werden. Viele Kraftwerke sind auch dort entstanden, wo

  • zum Hochwasserschutz,
  • zur Schaffung ausreichender Wassertiefe für die Schifffahrt oder
  • für die Trinkwasserversorgung

Stauanlagen errichtet wurden. Der Wirkungsgrad liegt bei guten Wasserkraftanlagen bei über 90 Prozent. Die Investitionskosten sind abhängig von geologischen und topografischen Gegebenheiten des Standortes, aber um ein Vielfaches höher als bei fossil befeuerten Wärmekraftwerken. Dafür sind die Betriebskosten gering. Laufwasserkraftwerke sind durch eine geringe Fallhöhe des Wassers und durch einen stetigen Wasserdurchsatz ― entsprechend dem Abflussverhalten der Gewässer ― gekennzeichnet.

Welche Arten von Wasserkraftwerken gibt es?

Nach der Betriebsweise unterscheidet man Laufwasser- und Speicherwasser-Kraftwerke. Im Fall von Laufwasserkraftwerken wird die Energie fließenden Wassers wie das eines Flusses genutzt, ohne dass dieses zuvor gespeichert wird. Bei Speicherwasserkraftwerken wird die potenzielle Energie eines Stausees genutzt. Man kann Speicherwasserkraftwerke noch einmal nach der Fallhöhe des aufgestauten Wassers, also dem Höhenunterschied zwischen dem Wasser oberhalb der Turbine und des Wasserspiegel unterhalb der Turbine, unterscheiden. Im Bereich

 

  • bis etwa 25 Metern spricht man von Niederdruckkraftwerken,
  • bis 100 Metern von Mitteldruckkraftwerken und
  • über 100 Metern von Hochdruckkraftwerken.

Die meisten Standorte in Deutschland, die über günstige natürliche Bedingungen zur Wasserkraftnutzung verfügen, weisen bereits entsprechende Anlagen auf. Schätzungen zufolge könnte durch Modernisierungsvorhaben und den Bau neuer Anlagen die jährliche Stromproduktion in Wasserkraftwerken bis 2050 um zwei bis acht Milliarden Kilowattstunden gesteigert werden. Die Energieszenarien der Bundesregierung rechnen mit einem Ausbau um vier bis fünf Milliarden Kilowattstunden bis 2050.

Handelt es sich bei Energie aus Wasserkraftwerken um Erneuerbare Energie?

Strom aus Laufwasser- und Speicherwasserkraftwerken ist Elektrizität aus einer regenerativen Energiequelle. Davon zu unterscheiden ist Strom aus sogenannten Pumpspeicherkraftwerken. Sie bestehen aus einem oberen und einem unteren Becken, die mittels Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Diese wiederum werden im Maschinenhaus über Pumpen geführt bzw. über Turbinen, die mit einem Stromgenerator gekoppelt sind. Neuere Kraftwerke verfügen über sogenannte Pumpturbinen, welche beide Funktionen, die der Turbine und die der Pumpe, in sich vereinen.

In Phasen von Stromüberschuss im Netz, etwa wenn zu Starkwindzeiten viel Strom durch Windkraftanlagen eingespeist wird, wird Wasser aus dem Unterbecken mit Hilfe der elektrisch betriebenen Pumpen in das höher gelegene Oberbecken gepumpt. Bei Strommangel wird das Wasser wieder aus dem Oberbecken in das Unterbecken abgelassen. Dabei erzeugen die (Pump-)Turbinen beziehungsweise die damit gekoppelten Generatoren Strom. Mit dem Hochpumpen von Wasser wird Strom als potentielle Energie oder Lageenergie im Oberbecken verlustarm gespeichert. Wasser kann auf diese Weise ein hervorragender und effizienter Energiespeicher sein.

Einige Pumpspeicherkraftwerke verfügen zudem im Oberbecken über einen natürlichen Wasserzulauf wie beispielsweise einen Fluss. Bei dem daraus erzeugten Strom handelt es sich, im Gegensatz zu Strom aus zuvor gepumptem Wasser, um Ökostrom.
 

Brutto-Stromerzeugung in Deutschland die Jahre 2015 und 2016

Tortendiagramm Brutto-Stromerzeugung in Deutschland die Jahre 2015 und 2016

 

Wasserstoffspeicherung

setzt auf die elektrolytische Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Der erzeugte Strom wird durch Wasser geleitet, welches mithilfe von Säure oder Lauge leitend gemacht wurde. Dabei zerfallen die Wassermoleküle in je zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom.

Der so gewonnene Wasserstoff lässt sich in Tanks speichern und auf unterschiedliche Weise energetisch nutzen. Mithilfe von Brennstoffzellen kann Wasserstoff wieder in Strom umgewandelt werden. Die energetische Bilanz dieses Prozesses ist aber noch sehr verlustreich.

Wechselrichter

ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung beziehungsweise Gleichstrom in Wechselstrom umrichtet. Angewendet werden Wechselrichter dort, wo ein elektrischer Verbraucher Wechselspannung zum Betrieb benötigt, aber nur eine Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel eine Autobatterie, zur Verfügung steht. Oder aber, um Gleichstrom in das Wechselstromnetz beziehungsweise Drehstromnetz einzuspeisen.

Wechselstrom

bezeichnet elektrischen Strom, der seine Polung, also Richtung, in regelmäßiger Wiederholung ändert. Bei ihm ergänzen sich positive und negative Augenblickswerte so, dass der Strom im zeitlichen Mittel null ist. Weltweit wird diese Art der Übertragung bevorzugt, weil es aufgrund der einfachen Erzeugung, als auch durch die einfache Transformation zur verlustarmen Fernübertragung das kostengünstigste Verfahren ist.

 

Sinusförmiger Wechselstrom

Graph einer Periode eines sinusförmigen Wechselstroms

Wechselverhalten

Aktualisiert!

Seit 1998 können Verbraucher ihren Stromversorger frei wählen. Seitdem haben 42 Prozent der Haushalte ihren Anbieter gewechselt. Dies entspricht 17,2 Millionen Haushalten. Dabei können die Verbraucher derzeit unter fast 1.000 Lieferanten wählen. Dabei lag im Jahr 2016 der Anteil der Kunden, die bereits mehrfach ihren Stromversorger gewechselt haben bei 14,4 Prozent. 40,1 Prozent haben noch nicht über einen Wechsel nachgedacht.

 

Liferantenwechsel der privaten Haushalte in der Strom- und Gasversorgung

Balkendiagramme Versorgerwechsel der Haushalte in der Stomversorgung und Gasversorgung; kumulierte Wechselquote seit der Liberalisierung
 

Wellenkraftwerk

nutzt die Energie von Meereswellen zur Erzeugung elektrischen Stroms. Wellenenergie zählt zu den erneuerbaren Energien.

In Schottland ist an der Westküste der Insel Islay seit 2001 ein Wellenkraftwerk in Betrieb. Die Anlage besteht aus einer Kollektorkammer, die auf Meeresspiegelniveau in die Uferzone eingelassen wird, und einem Generator zur Stromerzeugung. Im Kollektor wird die Luft durch das Auf und Ab der Wellen in einer Röhre hinauf gedrückt oder hinunter gesaugt. Dieser Luftstrom treibt die so genannte Wells-Turbine an, die sich aufgrund ihrer speziellen Konstruktion immer in die gleiche Richtung dreht. Dadurch entsteht im Auslass zum Generator ein schneller Luftstrom, der eine pneumatische Turbine antreibt.

 

Aufbau und Funktionsweise eines Wellenkraftwerks

Schaubild Aufbau und Funktionsweise eines Wellenkraftwerks

Wettbewerb

bezeichnet eine Situation, wenn auf einem Markt mehrere Anbieter ohne Diskriminierung mit ihren Leistungen und Gütern um die Gunst der Nachfrager konkurrieren oder wenn wenigstens zwei Nachfrager um die Leistungen und Güter von Anbietern konkurrieren. Der Wettbewerb erfüllt unter anderem die Funktion

  • der Steuerung,
  • der Innovation,
  • der Anpassung und
  • der Kontrolle

 bei der Marktversorgung.

Windkraft

Aktualisiert!

Wind ist eine indirekte Form der Sonnenenergie.  Die Sonnenstrahlung erwärmt die Luft über Boden und Wasser. Dabei entstehen in der Atmosphäre ein Temperaturgefälle und ein Druckgefälle. Die daraus resultierenden Luftströmungen vom Hochdruckgebiet zum Tiefdruckgebiet bezeichnet man als Wind.

Bei einer Windenergieanlage drückt der Wind gegen die Flügelflächen und das Rad kommt in Drehung. Zusätzlich sind die Rotorblätter nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet, um das Auftriebsprinzip zu nutzen. In den meisten Fällen kommen heute Horizontalachsenkonverter zum Einsatz. Sie müssen entsprechend der Windrichtung ausgerichtet werden, wobei eine Windrichtungsnachführung die Rotorblätter in die jeweils günstigste Position bringt. Schnell laufende Horizontalachsenanlagen mit Zwei oder Dreiblatt-Rotoren haben einen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent. Höhe und Größe der Anlagen müssen dem Standort entsprechend angepasst werden. Da die Windgeschwindigkeit in der Höhe zunimmt, kann an einem windschwächeren Standort eine besonders hohe Anlage für Ausgleich sorgen.

Windkraft ist der mengenmäßig bedeutsamste regenerative Energieträger. Windkraftwerke leisteten im Jahr 2016 einen Beitrag von 77 Terrwattstunden, kurz TWh, zur Stromerzeugung in Deutschland.

 

Brutto-Stromerzeugung aus Windkraftanlagen im Jahr 2016
(Onshore und Offshore)

Grafik Stromerzeugung aus Onshore- und Offshor-Windkraftanlagen im Jahr 2016

 

Seit dem Bau der ersten Windkraftanlagen Anfang der 1990er Jahre hat die Stromerzeugung aus Windenergie aufgrund der staatlichen Förderprogramme ein besonders dynamisches Wachstum erfahren. Ende 2016 waren 27.270 Windenergieanlagen in Betrieb. Da die günstigen Standorte für Windanlagen in Norddeutschland und in der Nordsee und in der Ostsee liegen, der Strom aber vor allem in Süddeutschland benötigt wird, entsteht bei der Erzeugung ein Nord-Süd-Gefälle.

Wirkungsgrad

NEU!

Der Wirkungsgrad einer technischen Anlage (zum Beispiel eines Kraftwerks) ist ein Maß für das Verhältnis des erreichten Nutzens gegenüber dem eingesetzten Aufwand. Oder auch das Verhältnis (der Quotient), in dem nutzbarer Energie bei gleichzeitiger Abgabe von Wärme gegenüber der wirklich eingesetzten Energie steht. Der Wirkungsgrad ist dabei vor allem ein Kriterium für die Effektivität des Prozesses: Je höher er liegt, desto effektiver und umweltschonender arbeitet eine Anlage.

Beispiel für Kraftwerke:

Photovoltaik-Anlage          10-17 Prozent
Brennstoffzelle                  30-55 Prozent
Kohlekraftwerk                  30-45 Prozent
Gaskraftwerk                     bis zu 60 Prozent
Kraft-Wärme-Kopplung     70-80 Prozent