Wasserkraft Strom aus (Turbinen-)Wasserkraft bietet auch in Deutschland weiteres Potenzial

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Wasserkraft wurde schon in vorindustrieller Zeit beispielsweise zum Antrieb von Mühlen genutzt – sie ist die älteste und dabei zuverlässigste Form erneuerbarer Energiegewinnung. Ihr großer Vorteil ist die stete Verfügbarkeit verbunden mit der Speichermöglichkeit. In Deutschland bietet vor allem die Modernisierung und Reaktivierung vorhandener Anlagen attraktives Wachstumspotenzial.

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1937 hat Voith die erste große Pumpturbine gebaut, die sowohl als Turbine wie auch – in entgegengesetzter Drehrichtung – als Pumpe arbeitet.
1937 hat Voith die erste große Pumpturbine gebaut, die sowohl als Turbine wie auch – in entgegengesetzter Drehrichtung – als Pumpe arbeitet.
(Bild: Voith)

Dass eine Kreiselpumpe mithilfe eines elektrischen Motors Wasser in Bewegung zu setzen vermag, ist bekannt. Weniger geläufig ist, dass dies auch in umgekehrter Richtung funktioniert: Strömendes Wasser erzeugt mithilfe einer rückwärtslaufenden Pumpe elektrischen Strom. Die „Pumpe als Turbine“ (PaT) heißt diese Anordnung dann beispielsweise bei KSB.

In Deutschland gibt es laut Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke (BDW) rund 7800 Wasserkraftwerke. Zumeist sind das Ausleitungskraftwerke, bei denen das Flusswasser in einem Nebenarm des Hauptgewässers zu den Turbinen geleitet und anschließend wieder dem Unterlauf zugeführt wird. Auf diese Weise gewinnen die Betreiber jährlich 27 Milliarden kWh (zur Einordnung: das sind etwa drei bis fünf Prozent des in Deutschland produzierten Stroms) – potenziell stehen weitere 15 Milliarden kWh zur Verfügung, so der BDW. Zwölf Prozent der Anlagen sind im Besitz von Energieversorgungsunternehmen; sie erzeugen mehr als 90 % des gesamten Stroms aus Wasserkraft.

Weltweit werden durch Wasserkraft jährlich rund 2300 Milliarden kWh erzeugt (zur Einordnung: Größenordnung von 400 Kernkraftwerken). Riesige Wasserkraftreserven mit 15 000 Milliarden kWh/a liegen noch brach. Mit diesem Potenzial von 17 300 Milliarden kWh könnte der Weltstrombedarf gedeckt werden – zumindest rein theoretisch.

Ein aktuelles Projekt zeigt, dass Wasserkraft auch in Deutschland hochinteressant bleibt: Nach 14 Monaten Bauzeit hat Mitte September 2013 das neue Wasserkraftwerk am Augsburger Hochablass sein Herz bekommen – sogar ein Doppelherz. Zwei Turbinen mit einer Gesamtleistung von 3,5 MW drehen sich im Rohbau des Kraftwerks. Jede der beiden Turbinen von Andritz bringt etwa 35 t auf die Waage. Laufen die Turbinen unter Volllast, treiben 32 m3/s Lechwasser sie an und erzeugen so jährlich 11 Millionen kWh Strom. Der Bau des Kraftwerks kostet 13 Millionen Euro und wurde als Bürgeranlage mit einem fest verzinsten Bürgerdarlehen finanziert.

Wasserkraftwerke: Konzepte und Stromgestehungskosten

Das BMU unterscheidet in kleine (unter 1 MW) und große Anlagen (über 1 MW). Von den großen Wasserkraftanlagen in Deutschland sind 20 % Speicherkraftwerke und 80 % Laufwasserkraftwerke.

  • Speicherkraftwerke nutzen das hohe Gefälle und die Speicherkapazität von Talsperren und Bergseen zur Stromerzeugung. Beim Talsperren-Kraftwerk befinden sich die Turbinen am Fuß der Staumauer. Beim Bergspeicherkraftwerk ist ein in der Höhe liegender See über Druckrohrleitungen mit dem im Tal liegenden Kraftwerk verbunden. Speicherkraftwerke können sowohl zur Deckung der elektrischen Grundlast als auch im Spitzenlastbetrieb eingesetzt werden.
    Pumpspeicherkraftwerke werden nicht durch natürliche Wasservorkommen, sondern durch aus dem Tal gefördertes Wasser aufgefüllt. Damit wird in Schwachlastzeiten erzeugter elektrischer Strom als potenzielle Energie des Wassers zwischengespeichert und kann in Spitzenlastzeiten wieder über eine Turbine abgerufen werden.
  • Laufwasserkraftwerke nutzen die Strömung eines Flusses oder Kanals zur Stromerzeugung. Charakteristisch ist eine niedrige Fallhöhe bei relativ großer, oft jahreszeitlich mehr oder weniger stark schwankender Wassermenge. Die Anlagen werden aus wirtschaftlichen Gründen oft in Verbindung mit Schleusen gebaut.
    In einem Interview mit der DW Deutschen Welle schätzt Martin Weißmann, Dozent für Wassertechnik an der Hochschule Karlsruhe, die Kosten so ein: Große Wasserkraftanlagen produzieren in Europa eine Kilowattstunde Strom für drei bis fünf Euro-Cent, mittelgroße Anlagen (2000 bis 3000 kW) für rund zehn Cent und Anlagen an kleinen Gewässern für bis zu 20 Cent.
  • Kleinwasserkraftwerke: Bei Kleinwasserkraftanlagen besteht Ausbaupotenzial, insbesondere durch die Modernisierung und Reaktivierung bestehender Anlagen oder durch vereinzelten Neubau an bestehenden Querbauwerken, die aufgrund des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) wieder wirtschaftlich tragfähig werden. Die Anlagen werden sowohl im Inselbetrieb als auch netzgekoppelt eingesetzt. Technisch handelt es sich hier ebenfalls um Speicher- oder Laufwasserkraftwerke, die aufgrund kleinerer Fallhöhen und Wassermengen aber nur geringere Leistungen liefern. Für den Neubau von neuen Kleinwasserkraftanlagen im Leistungsbereich zwischen 100 und 1000 kW sind typische spezifische Investitionskosten von 4000 bis 6000 Euro/kW anzusetzen. Die Stromgestehungskosten liegen bei einer typischen Auslastung von 3000 bis 5000 Volllaststunden pro Jahr zwischen 10 und 23 Cent/kWh. Die Kosten für den Bau von Wasserkraftanlagen sind grundsätzlich an die Höhe der installierten Leistung gebunden, aber auch abhängig von der Fallhöhe, von den weiteren Standortbedingungen und insbesondere von den notwendigen ökologischen Maßnahmen.

Wasserkraft in neuen Dimensionen

Im chinesischen Wasserkraftwerk Xiluodu am Jinsha-Fluss ist Mitte August 2013 die leistungsstärkste Generator-Turbinen-Einheit in Betrieb gegangen, die Voith je gebaut hat. Nach erfolgreichem 72-stündigem Testlauf übergab Voith die erste von insgesamt drei dieser Maschinen an den Kunden China Three Gorges Corporation. Mit 784 MW setzt die Generator-Turbinen-Einheit in Xiluodu neue Maßstäbe. Die Gesamt-Leistung der drei Voith-Einheiten für Xiluodu wird nach Fertigstellung in etwa dem leistungsfähigsten Kernkraftwerk Deutschlands entsprechen. Wenn das Kraftwerk Xiluodu im Juni 2014 komplett ans Netz geht, wird es mit seinen insgesamt 18 Maschineneinheiten eine Nennleistung von 13,86 GW haben.

China ist einer der größten Märkte für Wasserkraft. Derzeit hat das Land Wasserkraftwerke mit einer Kapazität von 250 GW installiert. Aber dort könnte noch mehr Strom mithilfe der Wasserkraft erzeugt werden: Ausbaufähig sind insgesamt 466 GW Leistung, so Voith.

Wellenkraft mit Zukunft

Auch die Nutzbarmachung der Wellenenergie von Meereswasser wird als Träger regenerativer Energie erprobt. Anders als in einem Gezeitenkraftwerk nutzt man hier die komplette Energie der Wellenbewegungen und nicht nur den Energieunterschied bei Ebbe und Flut. Das theoretisch nutzbare Potenzial der Meereskraft wird weltweit auf 6000 bis 15 000 TWh geschätzt, davon dürften auf Europa etwa 2000 TWh entfallen, der größte Teil davon vor den britischen Inseln und Norwegen, so Vattenfall. Das Unternehmen beteiligt sich an internationalen Studien und Tests zur technischen Entwicklung der Meeresenergie, möglicher Umweltbelastungen und potenzieller Standorte künftiger Wellenkraftwerke.

Es gibt unterschiedliche Ansätze, um Wellenenergie zu nutzen. Voith setzt auf die oszillierende Wassersäule: Bei dieser Technologie kommen die Meeres-Turbinen nicht mit Wasser in Berührung. Stattdessen wird eine Luftsäule in Bewegung gesetzt, die die Maschinen antreibt. Die Wellen schwappen in einen Hohlbehälter hinein, der zum Meer hin offen ist. Dadurch wird die Luftsäule im so genannten Kollektor komprimiert und entspannt – ganz ähnlich dem Funktionsprinzip einer Luftpumpe. Das Kraftwerk atmet ein und aus. Dieser Druckunterschied wird von einer nach ihrem Erfinder benannten Wells-Turbine in Rotationsenergie umgesetzt, die dann von einem Generator in Elektrizität umgewandelt wird.

Im Sommer 2011 ging in Mutriku, einer Hafenstadt an der spanischen Nordküste, das erste kommerziell genutzte Wellenkraftwerk der Welt in Betrieb. Es ist mit 16 Wells-Turbinen-Einheiten von Voith ausgerüstet. Das Wellenkraftwerk Mutriku hat eine Gesamtleistung von 300 kW und produziert Strom für 250 Haushalte.

Fazit: Wasserkraft ist die größte, älteste und dabei zuverlässigste Form erneuerbarer Energieerzeugung. Das in Deutschland vorhandene Potenzial sollte schleunigst genutzt werden – selbst wenn dabei der eine oder andere Fisch auf der Strecke bleiben sollte.

* Der Autor arbeitet als freier Mitarbeiter für PROCESS.

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