Funktionsweise Kraftwerk

Nach der Betriebsweise unterscheidet man Laufwasser- und Speicherwasser-Kraftwerke. Beim Laufwasserkraftwerk wird die zur Verfügung stehende Energie des Wassers kontinuierlich, beim Speicherkraftwerk (Talsperre) nach Bedarf zur Stromerzeugung genutzt.

Man kann die Wasserkraftwerke aber auch nach der Fallhöhe unterscheiden: Im Bereich bis etwa 25 m spricht man von Niederdruckkraftwerken, bis 100 m von Mitteldruckkraftwerken und über 100 m von Hochdruckkraftwerken. Im Niederdruckbereich werden außer der Pelton-Turbine alle Turbinenkonstruktionen in sehr unterschiedlichen Einbauvarianten verwendet.

Im Mitteldruckbereich verwendet man hauptsächlich senkrecht an- geordnete Kaplan-Turbinen oder auch – je nach Wasserdurchfluss und Fallhöhe – Francis-Turbinen. Die Hochdruckkraftwerke schließlich sind eine Domäne der Francis- und Pelton-Turbinen, wobei letztere um so eher eingesetzt werden, je höher die Fallhöhe bei relativ geringer Wassermenge ist.

Weiterführende technische Informationen

Einblenden aller Antworten
Ausblenden aller Antworten
  • Was ist der Unterschied zwischen großer und kleiner Wasserkraft?

    Die Einteilung von kleiner, mittlerer und großer Wasserkraft und den jeweiligen Leistungsgrenzen unterscheiden sich weltweit und auch innerhalb von Deutschland.
    Der BDW zieht die Grenze bei einer installierten Leistung von 5 MW, unter der Wasserkraftanlagen der kleinen und mittleren Erzeugung zugeordnet werden. 280 der 7200 in Deutschland installierten Anlagen sind dieser Kategorie zuzuordnen. Nur 21 Anlagen haben eine Leistung von über 5 MW. Das größte Wasserkraftwerk in Deutschland (Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal) hat eine installierte Leistung von rund 1060 MW und liegt in Thüringen. Das größte Laufwasserkraftwerk Deutschlands ist das Rheinkraftwerk Iffezheim in Baden-Württemberg.

    6900 der rund 7200 Wasserkraftwerke in Deutschland arbeiten in einem Leistungsbereich von unter 1 MW und zählen zu den Kleinstwasserkraftwerken.

  • Welche Innovationen brachte die Branche in den letzten Jahren hervor?

    Der Wirkungsgrad von Wasserkraftwerken gilt als so gut wie ausgereizt. Es gibt aber Innovationen insbesondere zum Fisch- und Gewässerschutz und als auch neue Technologien, bisher schwierig Standorte energetisch zu nutzen.

    Steamdiver: Der Steamdiver zeichnet sich durch ein simples Konstruktionsprinzip aus. Der Generator ist direkt an der starren Propellerturbine angekoppelt. Das spart Platz und reduziert die technische Komplexität, wodurch es weniger Fehlerquellen und einen geringeren Wartungsaufwand gibt. Da die Turbine komplett ölfrei funktioniert, auf wartungsintensive Dichtungssysteme verzichtet wurde und sie mit minimalem Eingriff in die Natur installiert werden kann, ist sie auch für den Gewässerschutz wertvoll.
    Der Aufbau ist modular. Das erleichtert die Planung von neuen Wasserkraftanlagen und erleichtert die Integration von Modulen in bestehende Anlagen. Er eignet sich besonders für bereits existierende Querbauwerke an Flüssen mit Gefälle ab ca. 2m.

    Stromboje: Eine Stromboje befindet sich knapp unter der Wasseroberfläche und kann im Falle von Hochwasser abgesenkt werden, um nicht von Treibgut beschädigt zu werden. Der Rotor dreht sich nur sehr langsam, sodass Fische diesen gefahrlos passieren können. Außerdem benötigt es keine großangelegten baulichen Maßnahmen, wie Staumauern oder Schleusen, da sie ähnlich einer Boje im fließenden Gewässer liegt. Die Stromboje ist in der Lage bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 3,3 Metern/s eine Nennleistung von 70kW zu erbringen.

    Schachtkraftwerk: Die TU München hat ein Kraftwerk entwickelt, das für geringe Fallhöhen konstruiert wurde und ohne weitreichende Eingriffe in Gewässerlauf und Gewässerumgebung gebaut werden kann. Vor ein Wehr wird in das Flussbett ein Schacht gegraben. Das Wasser strömt von oben durch eine kistenförmige Anlage, in der sich ein an die Turbine gekoppelter Generator befindet. Da das Kraftwerk sich unter der Wasseroberfläche befindet, entsteht weder Lärmbelästigung, noch Gefahr bei Hochwasser oder hoher Wartungsbedarf. Ein Rechen verhindert, dass Fische in den Turbinenschacht gelangen. Mehr Infos: hier

    StEwaKorad: Die Abkürzung steht für „Stiller Energiewandler Kompaktwasserrad“ und ist ein Projekt, an dem die Uni Siegen und Erfinder Hans-Ludwig Stiller gemeinsam arbeiten. Es ist für Kleinwasserkraft und kleine Fallhöhen/geringe Fließgeschwindigkeiten ausgelegt. Das kleine Kraftwerk liegt unter der Wasseroberfläche, verfügt über Vor- und Rücklauf und kann durch bewegliche Schaufelblätter auf die Strömungen im Wasser ausgerichtet werden. Auch der sehr hohe Fisch- und Umweltschutz zeichnet das StEwaKorad aus.


  • Wie lange darf eine Anlage genutzt werden bis sie modernisiert werden muss?

    Grundsätzlich wurden und werden Wasserkraftanlagen für eine unbegrenzte Nutzungszeit errichtet. Folgerichtig sah das erste Erneuerbare-Energie-Gesetz aus dem Jahr 2000 eine zeitlich unbegrenzte Vergütung für Strom aus Wasserkraft vor. Im Gegensatz dazu war die Vergütung für Strom aus Wind- oder Solarenergie auf wie heute auf 20 Jahre befristet. Eine Wasserkraftanlage unterliegt auch keiner gesetzlichen Regelung, ob und wann sie modernisiert werden muss. Aus betriebswirtschaftlichen Gründen versuchen verantwortungsvolle Betreiber ihre Anlage technisch auf dem optimalen Stand zu halten. Das aktuell gültige EEG 2014 reizt die Modernisierung einer Anlage bei der sich das Leistungsvermögen erhöht, mit einer erhöhten Vergütung an.

  • Welche Leistungsbegriffe gibt es?

    Nennleistung Die Nennleistung wird vom Hersteller eines Gerätes oder einer Anlage angegeben und gibt an, wie viel Leistung das Gerät oder der Teil des Maschinensatzes aufnehmen oder abgeben kann.

    Engpassleistung Die Engpassleistung ist ein Begriff aus der Elektrizitätswirtschaft und gibt die maximale Dauerleistung an, die ein Elektrizitätswerk unter normalen Bedingungen abgeben kann. Begrenzt wird diese durch den schwächsten Anlagenteil, dem Engpass.

    Installierte Leistung Die installierte Leistung wird in Mega- oder Gigawatt angegeben und bezeichnet die maximale elektrische Gesamtleistung aller Elektrizitätswerke in einem Land/Staat.

    Gesicherte Leistung Die Leistung, die mit 99%iger Sicherheit erzeugt werden kann, ist die gesicherte Leistung. Je nach Art der Wasserkraftanlage gibt es unterschiedliche Angaben, welche die gesicherte Leistung definieren:

    • ­Laufwasserkraftwerke: Leistung, die an 330 Tagen des Regeljahres überschritten wird
    • Speicherkraftwerke: höchste Leistung, die bei einem Betriebsinhalt von 10% des Betriebsraums erzeugt werden kann
    • Pumpspeicherkraftwerke: gesicherte Leistung ist die mittlere Leistung

    Betriebsleistung Für die Betriebsleistung ist die tatsächliche Leistung zu einem bestimmten Zeitpunkt (Momentanwert).

  • Woher hat Wasser seine Energie?

    Wasserenergie ist im Grunde Sonnenenergie, da die Sonne durch den Kreislauf aus Regnen, Verdunsten, Fließen, ins Grundwasser versickern, das Wasser erst in Bewegung bringt. Körper die sich bewegen, und in diesem Fall ist Wasser ein Körper, verfügen über kinetische Energie (Bewegungsenergie). Das ist die Energieform, die sich Wasserkraftwerke zu Nutzen machen.

    Der kinetischen Energie vorgeschaltet ist oftmals die potentielle Energie, die Höhenenergie. Befindet sich die Quelle eines Flusses auf einer Berghöhe, der in Richtung Tal fließt, wird diese Höhenenergie freigesetzt und wandelt sich in kinetische Energie um. Alle Wasserkraftwerke ziehen mit unterschiedlichen Technologien ihre Energie aus diesem „fallenden“ Wasser.

    Die Energie, die sich aus dem Wasser ziehen lässt, lässt sich grundsätzlich mit einer Formel berechnen:

    P = Q * H * g * ρ * η

    Q= Wassermenge in m³/s
    H= Fallhöhe in m
    g= Erdbeschleunigung von 9,81 m/s²
    ρ= spezifisches Gewicht
    η= Wirkungsgrad (durchschnittlich zwischen 70 und 80%)

  • Welche Anlagentypen gibt es in Deutschland, welche gibt es noch?

    Laufwasserkraftwerk Laufwasserkraftwerke sind die Kraftwerke mit dem höchsten Wirkungsgrad und in Deutschland sehr verbreitet. Sie nutzen die natürliche und kontinuierliche Strömung des Wassers. Ein Wehr oder eine Staumauer staut das Wasser auf, das Oberwasser wird dann durch eine Turbine oder ein Wasserrad geleitet, das einen Generator antreibt. Das Gefälle zwischen Oberwasser und Turbine nennt sich Nutzgefälle, da das Gefälle darüber entscheidet, wie viel Strom im Kraftwerk produziert werden kann.
    Laufwasserkraftwerke sind vor allem in Gewässern mit hoher Fließgeschwindigkeit gebaut.

    Ausleitungskraftwerk Bei einem Ausleitungskraftwerk wird das Wasser neben dem Wehr über einen zusätzlichen Gewässerlauf zum Kraftwerk geleitet. Dadurch entsteht ein größeres Gefälle als bei einem klassischen Laufwasserkraftwerk und damit auch mehr Energie. Wehr und Kraftwerk liegen zum Teil Kilometer voneinander entfernt. Im ursprünglichen Flussbett verbleibt immer eine genau festgelegte Wassermenge (sog. Restwasser), damit Fische und andere Wasserorganismen weiterhin ihren Lebensraum behalten. Bestehen die Ausleitungsgewässer über mehrere Jahre, ähneln sie in vielen Fällen natürlichen Gewässern, zwischen Wehr und Kraftwerk umgeleitet.

    (Pump)-Speicherkraftwerk Bei Speicherkraftwerken wird das hohe Gefälle zwischen Speichersee und Wasserkraftwerk ausgenutzt.  Sie sind vor allem an Talsperren eingerichtet, an denen sich das Wasser staut und bei Bedarf ausgeleitet wird. Durch die erhebliche Höhenenergie, die sich im Gefälle in kinetische Energie umwandelt, ist die Stromerzeugung schon mit geringen Wassermengen möglich.
    Pumpspeicherkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Prinzip des Höhenunterschieds. Der Unterschied liegt darin, dass bei einem Stromüberschuss Wasser aus einem Fluss/See in ein höher gelegenes Staubecken gepumpt wird und bei Bedarf daraus Strom erzeugt werden kann. Pumpspeicherkraftwerke erfüllen damit als große Speicher eine wichtige Funktion bei der Integration der fluktuierenden Erneuerbaren Energien Wind und Sonne in das Stromsystem.

    Gezeitenkraftwerk Für Gezeitenkraftwerke eignen sich weltweit nur etwa 100 Standorte, da das Kraftwerk stark vom Standort und vor allem von einem großen Tidenhub (Wasserstandsunterschied zwischen Hoch- und Niedrigwasser an der Küste) abhängig ist. Durch Öffnungen, die mit Turbinen versehen werden, kann bei Flut das Meerwasser einströmen, bei Ebbe wieder ablaufen. Die Turbine kann den Strom dann bei beiden Fließrichtungen erzeugen. In Deutschland gibt es keine Gezeitenkraftwerke. Zum einen ist der Tidenhub eher gering und zum anderen ist das Wattenmeer als Nationalpark geschützt.

    Meeresströmungskraftwerk Meeresströmungsanlagen arbeiten wie Windkraftanlagen unter Wasser. Die Propeller werden durch die Meeresströmung bewegt und erzeugen Strom. Die Strömungsgeschwindigkeiten in Europa, speziell Nord- und Ostsee sind für den Betrieb zu gering. Allerdings wird dieser Technologie allgemein ein hohes Potenzial zugeschrieben.

    Wellenkraftwerk Für die Energieausbeute aus Wellen gibt es verschiedene Ansätze, die sich stetig weiterentwickeln. Es gibt Schätzungen, die besagen, dass weltweit durch die Wellenbewegung eine Leistung von 15-30 Kilowatt pro Meter Küstenlinie freigesetzt wird. Würde man diese Energie nutzen, könnten theoretisch 15% des weltweiten Strombedarfs gedeckt werden.

  • Was sind die üblichen Bestandteile eines Wasserkraftwerks?

    Rechen: Rechen wirken als mechanische Barriere für Treibgut und Fische. In erster Linie schützen sie das dahinterliegende Kraftwerk vor Treibgut, das die Turbinen beschädigen könnte. Treibgut, das sind zum Beispiel Äste von am Gewässer liegenden Bäumen oder Müll, der ins Wasser geraten ist. Aber auch Fische können in die Turbinen geraten und verenden. Ein Rechen schützt hiervor und hat die maßgebliche Funktion, die Fische von ihrem Wanderweg mit der Hauptströmung abzubringen und einem Fischabstiegssystem zuzuleiten. Dabei ist zu beachten, dass der Rechenabstand so klein wie möglich sein sollte, damit zum einen mehr und auch kleinere Fische umgeleitet werden können und zum anderen keine Fische im Rechen stecken bleiben und bei der Rechenreinigung verletzt oder getötet werden.

    Rechenreiniger: Der Rechen, an dem sich das Schwemmgut (Laub, Baumstämme – und -äste, Müll) staut, muss regelmäßig gereinigt werden, um sein Funktionieren zu sichern. Da die Reinigung per Hand arbeits- und zeitintensiv ist, gibt es maschinelle Rechenreiniger, die eine 15% höhere Jahresarbeit der Turbine ermöglichen. Das Rechengut wird auf eine Plattform angehoben oder mit Hilfe einer Spülpumpe durch eine Spülrinne ausgeleitet.

    Turbine: Ganz allgemein ist eine Turbine eine hydraulische Maschine, die wie ein Wasserrad die kinetische Energie des Wassers in eine mechanische Drehbewegung umwandelt. Je nachdem, ob die Turbine mit Überdruck oder Gleichdruck arbeitet, gibt es jedoch Unterschiede in ihrem Aufbau und der Funktionsweise.

    Kaplan-Turbine: Diese werden meist bei geringen Fallhöhen bis 50m und großen, schwankenden Wassermengen eingesetzt. Um den Aufprallwinkel des Wassers auf die Schaufeln zu optimieren, wird das Wasser vor Eintritt in die Turbine umgelenkt. Da der Wasserdruck von Eintritt in das Laufrad bis zum Austritt an Druck verliert spricht man von einer Überdruckturbine.

    Francis-Turbine: Bei einer Fallhöhe zwischen 50 bis 400m wird häufig eine Francis-Turbine eingesetzt. Die Wasserumleitung geschieht hier innerhalb des Laufrads durch eine spiralförmige Zuleitung über ein feststehendes Leitrad hin zum Laufrad. Der Wasserdruck nimmt von Eintritt in die Spirale zum Austritt kontinuierlich ab. Deshalb spricht man von einer Überdruckturbine.

    Durchströmturbine: Für kleinere Speicher- und Laufwasserkraftwerke werden Durchströmturbinen benutzt. Die Turbine besteht aus einem walzenförmigen Laufrad, durch das das Wasser geleitet wird. Die einfache Konstruktion der Turbine hat den Effekt, dass sie für Kraftwerksbetreiber günstig ist. Allerdings ist sie auf einen Leistungsbereich bis 1 MW beschränkt. Da das Wasser keinen Druck verliert, wenn es durch das Laufrad fließt, ist es eine Gleichdruckturbine.

    Pelton-Turbine: Vorzugsweise in Speicherkraftwerken werden Pelton-Turbinen eingesetzt. Sie sind bei großen Fallhöhen bis zu 1500m sehr wirtschaftlich. Das Wasser trifft aus Düsen unter hohem Druck auf die Schaufeln, die den Generator antreiben. Die Pelton-Turbine ist eine Gleichdruckturbine, da der Druck beim Durchlaufen des Wassers durch die Turbine nicht an Druck verliert.

    Wehr: Um die Energie des Wassers zu nutzen , wird in aller Regel mit einem Wehr (= Damm) das Wasser aufgestaut. Dadurch erhöht sich die Fallhöhe und so die Energieausbeute.

    Schütz: Ein Schütz ist ein bewegliches Wehr zur Regelung des Wasserdurchflusses. Die einfachste Bauform sind Schützentore aus Holz oder Stahlkonstruktionen, die seitlich in U-Schienen geführt werden und bei Bedarf gehoben und gesenkt werden können. Im Zuge der Modernisierung der Wasserkraftanlagen erfolgt die Einstellung des Wasserdurchflusses und die Wasserstandsregulierung automatisch. Bei älteren Anlagen werden kleine Schützen häufig noch manuell bewegt.

    Schnecke: Eine Schnecke ist eine andere Form der Wasserkraftnutzung. Wasserkraftschnecken nutzen das Prinzip der archimedischen Schraube. . dabei wird die Schnecke schräg und in Wasserfließrichtung nach unten gerichtet an einem Wehr angebracht. Wenn Wasser durch die Kammer zwischen den Gewindegängen fließt, wird die Schnecke in Bewegung gesetzt, die einen Generator antreibt. Da sich die Schraube sehr langsam dreht, wird sie als fischfreundliche Technologie eingesetzt. Entscheidend ist ein möglichst kleiner Spalt zwischen der Schraube und der Schneckenwand.

    Ober- und Unterwasser: Das Oberwasser ist das gestaute Wasser, das in die Wasserkraftanlage hineinfließt, das Unterwasser jenes, das nach der Energiegewinnung herausfließt. Die Höhendifferenz zwischen Ober- und Unterwasser nennt sich Nutzgefälle, da dieses mit darüber entscheidet, wie hoch die Energieausbeute aus dem Fließgewässer ist.