Arbeitsblatt: Strom aus Wasserkraft

Strom und Gezeiten: Wasserkraft Stauseen, Gezeitenströmungen, Flussläufe. Über diese Wege führen heute die effizientesten Wege, Strom aus Wasserkraft zu erzeugen. Etwa ein Viertel der Energie des von der Sonne auf die Erde eingestrahlten Lichts führt zur Verdunstung von Wasser hauptsächlich von der Oberfläche der warmen Meere. Über Aufsteigen der warmen, feuchten Luft, Wolkenbildung, Niederschläge auf Meere und Landflächen und Ablauf des Wassers von der Landfläche ins Meer schließt sich der Wasserkreislauf der Natur. Dabei kann die kinetische Energie des von den Landflächen der Erde aus einer mittleren Höhe von etwa 800 Meter als Fallwasser aus Stauseen und in Flüssen zu den Meeren ablaufenden Wassers mittels Turbinen und Stromgeneratoren in elektrische Energie umgewandelt werden, dies mit einem Umwandlungswirkungsgrad im Prinzip von 100 Prozent, im Bestfall großer Anlagen von bis zu 90 Prozent. Weltweit wurden im Jahr 2008 von der insgesamt ablaufenden Wasserkraft 3210 Terawattstunden zu elektrischer Energie und damit zu Strom umgewandelt. Damit wurden etwa 16 Prozent des weltweiten Strombedarfs gedeckt. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur in Paris (World Energy Outlook 2010-A) könnte die globale Stromerzeugung aus Wasserkraft bis zum Jahr 2035 bis auf über 6000 Terawattstunden pro Jahr gesteigert werden. Bei der Nutzung der Wasserkraft unterscheidet man zwei Typen von Kraftwerken, Speicherkraftwerke und Laufwasserkraftwerke. Von den großen Wasserkraftanlagen in Deutschland sind rund 20 Prozent Speicherkraftwerke und 80 Prozent Laufwasserkraftwerke. Speicherkraftwerke Speicher(see)kraftwerke sind Wasserkraftwerke mit natürlichen oder künstlichen Wasserspeicherreservoiren, welche im jahreszeitlichen Gang mit Niederschlagswasser und ggf. Schmelzwasser aus Zuläufen (Bäche, Flüsse) gespeist werden. [Artikel lesen.] Speicherkraftwerke Speicher(see)kraftwerke sind Wasserkraftwerke mit natürlichen oder künstlichen Wasserspeicherreservoiren, welche im jahreszeitlichen Gang mit Niederschlagswasser und ggf. Schmelzwasser aus Zuläufen (Bäche, Flüsse) gespeist werden. Bei Stauhöhen zwischen Wasserspiegel des Speichersees und Einlauf zu den Turbinengeneratoren von 50 bis einigen 100 Meters spricht man von Hochdruckturbinenkraftwerken. Mit Speicherkraftwerken kann die Erzeugung von elektrischer Energie solange der Speichersee ausreichend gefüllt ist gut einem zeitlich fluktuierenden Strombedarf angepasst werden. Eine Besonderheit sind künstliche Pumpwasserspeicherkraftwerke zum täglichen Ausgleich zwischen dem im Tagesverlauf stark schwankenden Strombedarf Spitzenbedarf zu bestimmten Stunden am Tag, Niedrigbedarf während einiger Nachtstunden und dem vergleichsweise tageszeitlich konstanten Stromangebot aus Kohle- und Kernkraftwerken. Bei dieser Art von Wasserkraftwerk kann ein und dieselbe Turbinen-Generator/Elektromotor-Anlage mit einem bis zu einigen 100 Meter hochgelegenen Pumpwasserspeicher und einem auf Höhe der Turbinen gelegenen Vorratswasserspeicher umgeschaltet werden vom (Fallwasser-)Turbinenantrieb des Stromgenerators auf Elektromotorantrieb der (Pumpwasser-)Turbinen. Damit kann tageszeitlich (Überschuss-)Strom mit moderaten Verlusten, im Bestfall (Goldisthal) etwa 20 Prozent, (indirekt) gespeichert werden. Weltweit größte Speicherkraftwerke a) Itaipu-Kraftwerk an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay mit einer Wasserfallhöhe von maximal 195 Metern, einer maximalen Stromleistung von 14.000 MW, dies mittels 20 Turbinengeneratoren à 700 MW Leistung, und einer maximal erzeugbaren elektrischen Energie von 75 TWh pro Jahr b) das 3-Schluchten-Kraftwerk am Yangtse in China mit einer Wasserfallhöhe von maximal 185 Metern, einer maximalen Stromleistung von 18.200 MW, dies mittels 26 Turbinengeneratoren à 700 MW, und einer maximal erzeugbaren elektrischen Energie von 85 TWh pro Jahr Als Beispiel für ein reines Pumpspeicherkraftwerk ohne natürlichen Zufluss in den Pumpspeichersee zum täglichen stundenweisen Ausgleich von unterschiedlichem Strombedarf und Stromangebot sei hier genant das größte, 2003 in Betrieb gegangene Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland, in Goldisthal, Thüringen, mit einem künstlichen Pumpwasserspeicher für 6 Millionen m Wasser in einer Pump-/Fallhöhe von 300 Metern, einer maximalen Stromleistung von einem Gigawatt (GW) und einer maximal gespeicherten Energie von acht Gigawattstunden (GWh). In Deutschland sind derzeit insgesamt Pumpspeicherkraftwerke mit einer maximalen Gesamtleistung von fast 6,6 Gigawatt installiert, mit einer Gesamtspeicherkapazität von etwa 240 GWh. Laufwasserkraftwerke Laufwasser-(Fluss)Kraftwerke sind Wasserkraftwerke an Bächen und Flüssen mit relativ niedrigen Wasserstauhöhen von einigen wenigen bis maximal 15 Metern zwischen Wasser-spiegel und Turbineneinlauf. Brandung, Strömung und Schmelzwasser Nicht nur Flussläufe und Staubecken lassen sich zur Stromgewinnung nutzen. Auch die Gezeiten, die Meeresbrandung und sogar Schmelzwasser haben Energieingenieure im VisierLaufwasser-(Fluss) Kraftwerke sind Wasserkraftwerke an Bächen und Flüssen mit relativ niedrigen Wasserstauhöhen von einigen wenigen bis maximal 15 Metern zwischen Wasserspiegel und Turbineneinlauf. Dem jahreszeitlich mehr oder minder stark schwankenden Laufwasserangebot entsprechend schwankt auch das Angebot an erzeugbarem Strom. Die Leistung von Speicherkraftwerken liegt im Bereich von wenigen Megawatt (MW) bis zu maximal mehreren 1.000 MW. In Deutschland sind derzeit rund 50 Anlagen im Leistungsbereich von einigen MW bis zu mehreren 100 MW installiert. Als ein Beispiel genannt sei das bereits seit 1924 in Betrieb stehende Walchensee-Kraftwerk in den bayrischen Voralpen mit einer Leistung von 124 MW, dies bei einer Wasserfallhöhe von 200 Metern und einer gespeicherten Energie von maximal etwa 42.000 Megawattstunden (MWh) Die Leistung von Laufwasserkraftwerken liegt im Bereich von einigen Kilowatt (kW) bis zu wenigen 100 Megawatt. In Deutschland waren im Jahr 2007 knapp 8000 Anlagen in Betrieb, davon gut 7000 Anlagen im Leistungsbereich von einigen Kilowatt bis einem Megawatt, 347 Anlagen im Leistungsbereich von 1 bis 50 MW und 7 Anlagen im Leistungsbereich von 50 bis 150 MW. cZum Vergleich: Zur Deckung unseres Strombedarfs standen uns im Jahr 2008 Kraftwerke aller Art mit einer Leistung von insgesamt etwa 140 Gigawatt, davon Wasserkraftwerke mit einer Leistung von ca. 4,7 Gigawatt zur Verfügung. Sie haben damit einen Beitrag von etwas mehr als 4 Prozent geleistet. Brandung, Strömung und Schmelzwasser Nicht nur Flussläufe und Staubecken lassen sich zur Stromgewinnung nutzen. Auch die Gezeiten, die Meeresbrandung und sogar Schmelzwasser haben Energieingenieure im Visier. Gezeitenenergie Bei dieser weiteren Art der Wasserkraft werden die Wasserstandsschwankungen des Tidenhubs in dafür günstigen Flussmündungsbecken mit Tidenhüben von mehreren Metern genutzt. Bislang ist weltweit nur ein relativ großes Gezeitenkraftwerk, dieses an der Rance-Mündung in Frankreich, mit einer Maximalleistung von 240 MW in Betrieb (seit 1968); weitere Vorschläge für weltweit ein Dutzend Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von bis zu einigen 100 GW wurden bislang nicht zuletzt aus Kostengründen nicht realisiert. Energie der Meeres- und Brandungswellen Ausreichende mechanische Festigkeit und Korrosionsschutz der benötigten großen, weiträumigen, auf hoher See schwimmenden Anlagen stellen bislang zu große Hürden dar. Brandungswellen an der Küste wurden bislang nur in einigen wenigen Versuchsanlagen zur Stromerzeugung genutzt. Dabei wurde z. B. mit einer Anlage auf 60 Metern Küstenbreite bei maximaler Leistung von 350 kW ein Jahresertrag von 2.000 MWh erzielt. Die resultierenden Stromkosten belaufen sich wenn man die gesamten auch den damit erzielten Küstenschutz einschließenden Baukosten in Rechnung stellt derzeit auf die Größenordnung von 50 Cent/kWh. Energie von Meeresströmungen Im Großen: In seinem Kerngebiet zwischen den Inseln der Karibik weist der Golf-Strom auf einer Breite von 50 km und einer Tiefe von etwa 120 eine Geschwindigkeit von ca. 2m/s auf. Dies entspricht einer Strömungsleistung von ca. 24 GW. Eine Nutzung solcher Meeresströmungen z. B. über Turbinenantrieb ist zwar denkbar, aber allein aus ökologischen Gründen wohl kaum zu verantworten. Im Kleinen: An der Südwestküste von England ist in einer Tiefe von 30 eine Unterwasserwindmühle mit einem Rotorflügel und einer Leistung von 300 kW derzeit in Erprobung. Grönlandschmelzwasser Die Eisfläche Grönlands beträgt ca. 1,5 Millionen Quadratkilometer (km) und erreicht Höhen von über drei Kilometern. Die Vorstellung ist, das ablaufende Schmelzwasser zu sammeln und über Wasserkraftwerke an der grönländischen Küste mit insgesamt einem theoretischen Potential von ca. 500 GW zu nutzen. Die Energie könnte gegebenenfalls in Form von Flüssigwasserstoff zum Verbraucher transportiert werden. Osmose Salzgehaltsgradienten zwischen Fließ- und Meerwasser an Flussmündungen mittels Osmose: Beispielsweise beläuft sich das entsprechende theoretische Potential an der Mündung des Rheins in die Nordsee auf ca. 1 GW. Allein die unvermeidliche Befrachtung des Flusswassers mit Schwebstoffen aller Art stellt eine Realisierung eines Osmosekraftwerks, bei dem Wasser durch semipermeable Wände diffundieren müsste, vor unüberwindlich scheinende Probleme.