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Wasserkraftwerke: Funktionsweise & Typen

Wasserkraft ist eine erneuerbare Energiequelle, bei der die im Wasser gespeicherte Energie mithilfe verschiedener Technologien in elektrische Energie umgewandelt wird. Mithilfe dieser elektrischen Energie lassen sich nach Einspeisung in das allgemeine Stromnetzwerk sämtliche elektronische Geräte betreiben. Vorrichtungen, die Wasserkraft in Strom umwandeln, heißen Wasserkraftwerke.

Aktuell werden rund 16 Prozent des weltweit erzeugten Stroms aus Wasserkraft gewonnen. Global gesehen ist Hydroenergie die drittbedeutendste Form der Stromerzeugung.

In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, wie Wasserkraftwerke grundsätzlich funktionieren, wie die Umwandlung von Wasserkraft in elektrische Energie funktioniert und welche Arten von Wasserkraftwerken es überhaupt gibt.

Wie funktionieren Wasserkraftwerke?

Jeglichem sich bewegenden Wassermolekül oberhalb des Meeresspiegels wohnt sowohl potenzielle, als auch kinetische Energie inne. Unter potenzieller Energie versteht man dabei die Lagenergie, über die das Molekül aufgrund der Schwerkraft durch seine erhöhte Position verfügt. Unter kinetischer Energie versteht man die Bewegungsenergie, die dem Molekül aufgrund seiner Geschwindigkeit innewohnt - beispielsweise als Teil eines Flusses.

Beide Energieformen lassen sich mithilfe verschiedener Technologien zuerst in mechanische Arbeit und anschließend in elektrische Energie umwandeln. Wenn beispielsweise eine primitive Mühle mithilfe von Wasserkraft betrieben wird, dann verrichtet der sich bewegende Mühlstein mechanische Arbeit, die ursprünglich aus dem Fließgewässer stammt. Wenn die Wasserkraft allerdings durch eine Turbine hindurchfließt, die wiederum mit einer elektrischen Maschine verbunden ist, wird aus der mechanischen Arbeit elektrischer Strom. Dieses System funktioniert so ähnlich wie der Dynamo eines Fahrrads.

Hinsichtlich Wasserkraft ist jedoch nicht nur die potenzielle und die kinetische Energie zu berücksichtigen. Osmosekraftwerke wandeln beispielsweise die sogenannte Salzgradientenenergie des Wassers in elektrischen Strom um. Doch dazu später mehr.

Welche Methoden zur Umwandlung gibt es?

Insgesamt unterscheidet man sechs verschiedene Umwandlungsmechanismen, um aus Wasserkraft elektrischen Strom zu gewinnen. Dabei handelt es sich um die folgenden Methoden:

  • Laufwasserkraftwerk
  • Speicherkraftwerk
  • Wellenkraftwerk
  • Gezeitenkraftwerk
  • Osmosekraftwerk
  • Gletscherkraftwerk

1. Laufwasserkraftwerk (Quelle: Flüsse)

Die erste Methode, die wir Ihnen vorstellen möchten, ist das Laufwasserkraftwerk, das auch Flusskraftwerk genannt wird. Es wird ausschließlich an Flüssen gebaut und nutzt die schnelle Fließgeschwindigkeit des Gewässers zur Energiegewinnung. Die Energie aus Flüssen kann sowohl mithilfe klassischer Wasserräder, als auch mithilfe moderner Turbinen genutzt werden.

Bei modernen Laufwasserkraftwerken wird normalerweise zusätzlich eine Wehranlagen gebaut, um das Wasser leicht aufzustauen. Hierdurch lässt sich die Fallhöhe des Wassers erhöhen, sodass gleichzeitig auch die Energieausbeute erhöht wird. Klassische Wasserräder benötigen eine solche Stauung logischerweise nicht.

2. Speicherkraftwerk (Quelle: Stauseen)

Die zweite Methode sind sogenannte Speicherkraftwerke, zu denen beispielsweise auch Staudämme gehören. Wie der Name bereits suggeriert, sind möglichst große Stauseen (= Speicher) notwendig, die eine große Menge an potenzieller Energie besitzen. Im ersten Schritt verhindert man, dass das aufgestaute Wasser abfließen kann. Es dient dabei als natürliche Batterie.

Sobald eine große Nachfrage an Strom besteht, öffnet man die Schleusen und lässt das Wasser abfließen. Dabei wird mithilfe mehrerer Turbinen und Generatoren versucht, möglichst große Mengen der potenziellen Energie des Wassers in elektrischen Strom umzuwandeln.

3. Wellenkraftwerk (Quelle: Wellen)

Abseits vom Landesinneren, an der Küste oder im Ozean selbst, gibt es die Möglichkeit, sogenannte Wellenkraftwerke zu errichten. Die Funktionsweise ist dabei sehr simpel: Die Turbinen werden in wellenreichen Gefilden aufgestellt, sodass die Turbinen von jeder einzelnen Welle angetrieben werden und Strom erzeugen. Wellenkraftwerke fokussieren sich auf die allgemeine Wellenbewegung. Es spielt dabei keine Rolle, ob gerade Ebbe oder Flut ist.

4. Gezeitenkraftwerk (Quelle: Gezeiten)

Ein Gezeitenkraftwerk funktioniert ähnlich wie ein Wellenkraftwerk, allerdings konzentriert sich das Gezeitenkraftwerk nicht auf die allgemeine Wellenbewegung, sondern speziell auf die Strömungen, die durch die Gezeiten (Ebbe und Flut) verursacht werden. Letztendlich ist die Energiequelle hierbei deshalb die Erddrehung in Kombination mit den Anziehungskräften des Mondes und der Sonne.

5. Osmosekraftwerk (Quelle: Salzgehalt)

Eine besonders neuartige Methode der Nutzung von Wasserkraft stellen Osmosekraftwerke dar. Sie machen sich die Eigenschaft des Wassers zunutze, ein thermodynamisches Gleichgewicht anzustreben. Im Klartext bedeutet dies, dass Meerwasser und Süßwasser mithilfe einer semipermeablen Membran voneinander getrennt werden, um Druck zu erzeugen. Das salzarme Süßwasser fließt nun in Richtung des salzreichen Meerwassers, da es einen ausgeglichenen Salzhaushalt anstrebt. Mithilfe des aufgebauten Drucks kann nun beispielsweise eine Turbine angetrieben werden, die der Stromerzeugung dient.

Während die meisten anderen Wasserkraftwerke auf kinetische bzw. potenzielle Energie setzen, setzt das Osmosekraftwerk auf die Salzgradientenkraft und gilt deshalb als Sonderfall.

6. Gletscherkraftwerk (Quelle: Schmelzwasser)

Die letzte Art von Wasserkraftwerken, die wir Ihnen vorstellen möchten, ist das Gletscherkraftwerk. Ein Gletscherkraftwerk macht sich das Schmelzwasser eines Gletschers zunutze und verwendet dessen potenzielle Energie, um eine Turbine zur Stromerzeugung zu betreiben. Gletscherkraftwerke können nur in Polargebieten in Höhe von 1.000 bis 3.000 Metern errichtet werden bzw. rentieren sich nur in diesen Arealen.

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