Wind- und Wasserkraft

Was ist Wasserkraft?

Wasserkraft bezeichnet die Umwandlung kinetischer und potentieller Energie von Wasser in elektrische Energie. Die ursprüngliche Energiequelle für die Wasserkraft ist eingestrahlte Sonnenenergie, die über die Verdunstung den globalen Wasserkreislauf hervorruft. Etwa 80 % der zur Erdoberfläche gelangenden Wärmeenergie werden für die Verdunstung von Wasser verbraucht.

Globaler WasserkreislaufEnergie + Umwelt - Wind- und Wasserkraft
– Grundlagen –

Wasser findet sich auf der Erde in vier großen Speichersystemen. Neben den Ozeanen sind dies die Atmosphäre, die Eiskappen an den Polen und das Wasser auf dem Festland.
Insgesamt beträgt die Wassermasse der Erde ca. 1,4 Mrd. km3.
Für die Nutzung der Wasserkraft sind drei Vorgänge maßgeblich. Es sind dies die Verdunstung, der Niederschlag und der Wasserabfluss.
Global betrachtet entspricht die Verdunstung etwa dem Niederschlag in der Größenordnung von ca. 1.000 mm/a. Ein Anteil dieses Niederschlags geht nicht unmittelbar wieder über den Ozeanen sondern über dem Festland nieder, und hiervon gelangt wiederum ein Anteil zum Abfluss in die Ozeane.

Wasserkraft wurde früher über Wasserräder meist zur Verrichtung mechanischer Arbeit genutzt (Mühlen). Hierbei unterschied man zwischen oberschlächtigen (Schaufeln des Rades werden von oben mit Wasser gespeist) und unterschlächtigen (untere Schaufelspitzen hängen in fließendem Wasser) Wasserrädern.

Die heutige Nutzung erfolgt über Turbinen. Das Prinzip der Turbine ist dem von Pumpen vergleichbar, es sind lediglich Kraft und Wirkung in entgegengesetzter Richtung wirksam.
Einer der großen Vorteile der Wasserkraft liegt in seiner einfachen Speicherbarkeit. Durch Aufstauung oder durch Hochpumpen auf ein höheres Niveau (Pumpspeicherkraftwerke) ist die Wasserkraft nicht nur fast verlustfrei speicherbar, sondern auch sehr kurzfristig verfügbar und somit gut zur Deckung von Spitzenlastbedarf einsetzbar.
Das für die Nutzung der Wasserkraft zur Verfügung stehende Energiepotential wird durch den Anteil der Niederschläge gebildet, die über Regionen niedergehen, die aufgrund ihres Reliefs und ihrer geodätischen Höhe den oberirdisch abfließenden Anteil der Niederschläge nutzen können.

Die erzeugbare Energiemenge hängt somit in erster Linie von der Abflußmenge und der Höhendifferenz ab. Andere Faktoren wie Wasserdichte und Erdbeschleunigung können in diesem Zusammenhang als konstante Werte betrachtet werden. Die Wasserabflußmengen von Gewässern werden für größere Gewässer im hydrologischen Jahrbuch veröffentlicht oder sind bei Wasserwirtschaftsämtern einsehbar. Beispielsweise beträgt die Abflußmenge der Donau bei Donauwörth ca. 120 m3/s, die Abflußmenge des Rheins bei Düsseldorf ca. 2.000 m3/s.
Der Nutzen eines Wasserkraftwerkes, die erzeugbare Energiemenge bzw. elektrische Leistung, läßt sich somit für jeden Standort aus Wassermengenstrom und Fallhöhe vorausberechnen. Die Leistung entspricht dabei dem Produkt aus Wassermengenstrom (m3/s), Fallhöhe (m), Erdbeschleunigung (konstant=9,81), Dichte (konstant=1) und Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Der Wirkungsgrad ist je nach Anlagengröße mit ca. 70-80 % bezogen auf die Gesamtanlage anzusetzen (Turbinen-, Getriebe-, Generator,- und Transformatorenwirkungsgrad). Der Leistungsbereich von Wasserkraftwerken kann zur Zeit bis zu 12.000 MW liegen (Brasilien). In Europa ist die Wasserkraftnutzung weitgehend ausgebaut und leistet einen Beitrag zur Stromproduktion von ca. 4 % in Deutschland und ca. 90 % in Norwegen.

Die Wasserkraftnutzung ist eine sehr alte Technik, die als ausgereift zu bezeichnen ist. Dementsprechend existieren neue Entwicklungen nur in begrenztem Rahmen.
Andere Entwicklungen zielen auf die Steigerung der Wirtschaftlichkeit von kleinen Wasserturbinen durch Einsatz kompakter, standardisierter Kompletteinheiten anstelle einzelner Aggregate. Sowohl Baukosten als auch Bauzeit lassen sich dadurch reduzieren. Insbesondere kleine Wasserkräfte rücken zunehmend in den Mittelpunkt des Interesses, wenn es um den Ausbau und die Reaktivierung der Wasserkraft in Deutschland geht.

Kraftwerktypen

Die Einteilung von Wasserkraftwerken in verschiedene Typen kann nach mehreren Kriterien vorgenommen werden. Einmal unterscheiden sich die Kraftwerke nach der Herkunft des Wassers in Laufwasserkraftwerke, Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke. Eine andere Unterteilung ergibt sich bei einer Unterscheidung nach dem Druckbereich (gefälleabhängig) in Niederdruckkraftwerke (bis 10 m Fallhöhe), Mitteldruckkraftwerke (10 bis 50 m Fallhöhe) und Hochdruckkraftwerke (über 50 m Fallhöhe). Schließlich lassen sich die Wasserkraftwerke auch nach der Bauweise einteilen in Hallenkraftwerke, Außenkrankraftwerke, Pfeilerkraftwerke, Kavernenkraftwerke und Überflutungskraftwerke.
Laufwasserkraftwerke arbeiten im Niederdruckbereich bis 10 m Fallhöhe.

Speicherkraftwerke arbeiten im Mittel- bis Hochdruckbereich bis 100 m (Mittel-) oder 1800 m (Hoch-) Fallhöhe. Sie sind besonders zur Abdeckung der Spitzenlast geeignet, da sie unabhängig vom Wasserzufluss sind und sehr kurzfristig einsatzbereit sind. Eine Sonderform stellt hier das Kavernenkraftwerk dar, welches in Hohlräumen eines Berges untergebracht wird und somit von außen nicht erkennbar ist (Skandinavien, Alpenländer).

Pumpspeicherkraftwerke dienen vor allem der Vergleichmäßigung der Stromverbrauchsschwankungen im Tagesverlauf. Das eingesetzte Wasser aus dem Speicher wird hinter den Turbinen nochmals aufgefangen und bei fallendem Stromverbrauch im Netz über eine Pumpenzuschaltung wieder in den oberen Speicher transportiert, wo es erneut den Turbinen zugeführt werden kann. Aufgrund der Komplexität und mehrfachen Wassertransports werden in Pumpspeicherkraftwerken nur Wirkungsgrade von ca. 70% erreicht.

Was ist Windkraft?

Energie + Umwelt - WindkraftWindkraft bezeichnet die Umwandlung der horizontalen Bewegungsenergie der Luftmassen der Erde in elektrische Energie. Die ursprüngliche Energiequelle für die Windkraft ist eingestrahlte Lichtenergie der Sonne.

Entstehung von Wind

Die Entstehung von Wind ist auf die Sonneneinstrahlung zurückzuführen. Die Sonnenstrahlung führt zur Erwärmung der Erdoberfläche, die diese Wärme zum Teil an untere Bodenschichten weitergibt, überwiegend jedoch durch Abstrahlung von Wärme die unteren Luftmassen erwärmt. Warme Luft steigt regelmäßig auf und bewirkt ein Absinken von kälterer Luft an benachbarter oder anderer Stelle.

Die Aufnahmefähigkeit für die Strahlungsenergie der Sonne ist vom jeweiligen Breitengrad abhängig. Am Äquator treffen die Sonnenstrahlen fast senkrecht auf die Erde und die Erwärmung übersteigt die Wärmeabgabe des Bodens an die Luft, welche sie durch thermische Konvektion (Thermische Konvektion, ist eine durch temperaturbedingte Dichteunterschiede angetriebene Strömung in Gasen) abtransportiert.

Der Äquatorbereich hat somit hohe Temperaturen. An den Polen wird die Sonnenstrahlung aufgrund des flachen Winkels sehr stark reflektiert und der Wärmeentzug durch Luftkonvektion übersteigt die Erwärmung. Die Pole haben somit niedrige Temperaturen.
Die Zirkulation von Luft in der Atmosphäre ist u.a. darauf gerichtet, die Temperatur- und Luftdruckunterschiede regelmäßig auszugleichen, so dass sich globales System von Luftströmungen herausgebildet hat. Luftströmungen werden – wie auch Meeresströmungen – durch die Erddrehung abgelenkt. Bekannte Luftströmungssysteme sind z.B. die Passatwinde.
Die Nutzung der Windkraft ist seit Jahrhunderten bekannt. Üblich war früher die Nutzung der mechanischen Energie (Windmühlen), heute steht die Erzeugung elektrischer Energie im Vordergrund.

Moderne Windkraftanlagen arbeiten weit überwiegend nach dem Auftriebsprinzip, wobei aerodynamisch geformte Rotorblätter, wie sie auch im Flugzeugbau Verwendung finden, eingesetzt werden. Am gebräuchlichsten ist die Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrer installierten Leistung, wobei bislang in Kleinanlagen (< 70 kW, ca. 25 m hoch), mittlere Anlagen (70-750 kW, ca. 40-65 m hoch) und Großanlagen unterschieden wurde. Bereits heute hat sich unter Neuanlagen die „Megawatt-Klasse“ etabliert, und ein Ende dieser Entwicklung ist insbesondere im Zusammenhang mit Offshore -Anlagen nicht definierbar.

Da die erzeugte Energie bislang nur mit beträchtlichem Aufwand gespeichert werden könnte, wird davon in den meisten Fällen Abstand genommen und der Strom direkt in das Verbundnetz eingespeist. Die Windenergie steht somit unregelmäßig und unvorhersehbar zur Verfügung.
Die Technik der Windkraftnutzung ist seit einigen Jahren weitgehend ausgereift. Aktuelle Entwicklungen beziehen sich auf die Einsatzmöglichkeiten, z.B. Offshore -Anlagen an den Nord- und Ostseeküsten, oder auf Verbesserungen einzelner Komponenten.