Wasserkraft
Wasserkraft wurde schon in vorindustrieller Zeit zum Antrieb von Mühlen, Säge- und Hammerwerken genutzt. Die kinetische und potenzielle Energie einer Wasserströmung wird über ein Turbinenrad in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, die zum Antrieb von Maschinen oder Generatoren genutzt werden kann. Heute wird mit Wasserkraft in Deutschland fast ausschließlich elektrischer Strom erzeugt.
Die Wasserkraft ist eine ausgereifte Technologie, mit der weltweit, an zweiter Stelle nach der traditionellen Nutzung von Biomasse, der größte Anteil an erneuerbarer Energie erzeugt wird.
Die Rolle der Wasserkraft zukünftig
Die größten Potenziale zur Nutzung der Wasserkraft liegen in den südlichen Bundesländern, da hier der Voralpenraum für ein günstiges Gefälle sorgt. Die wesentlichen Potenziale der Wasserkraft liegen im Ersatz, in der Modernisierung und Reaktivierung vorhandener Anlagen sowie im Neubau an bestehenden Querbauwerken. Dabei müssen alle Umweltanliegen ausgewogen berücksichtigt werden. Eine Leistungssteigerung verbunden mit der Verbesserung der gewässerökologischen Situation ist dabei das Ziel der Bundesregierung.
Unterscheidung der Wasserkraftwerke
Wasserwerke unterscheiden sich in kleine (kleiner 1 MW) und große Anlagen (größer 1 MW). Von den großen Wasserkraftanlagen in Deutschland sind 20% Speicherkraftwerke und 80% Laufwasserkraftwerke.
Kleinwasserkraftwerke
Es besteht ein gewisses Ausbaupotenzial bei Kleinwasserkraftanlagen, insbesondere durch die Modernisierung und Reaktivierung bestehender Anlagen oder durch vereinzelten Neubau an bestehenden Querbauwerken. Dabei ist den Anliegen des Naturschutzes und der Gewässerökologie Rechnung zu tragen. 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. 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.
Speicherkraftwerke
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 wird ein in der Höhe liegender See über Druckrohrleitungen mit der im Tal liegenden Kraftwerksanlage 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 gepumptes 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
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.
(Quelle: Bundesministerium für Klima und Umweltschutz - Link)
Energie aus Wasserkraft (Quelle: Umweltbundesamt - Link)
Die Kraft des Wassers zu nutzen, hat eine lange Tradition. Wasserkraft ist bis heute bedeutend als erneuerbare Energiequelle. Gleichzeitig zieht die Nutzung der Flüsse für die Energiegewinnung vielfältige sozioökonomische und ökologische Wirkungen nach sich, die es zu beachten gilt.
Wasserkraftnutzung – Global
Der Energiegewinn aus Wasserkraft ist umso höher, je mehr Wasser aus möglichst großer Fallhöhe auf das Laufrad oder die Turbine trifft. Landschaften mit viel Niederschlag und ausgeprägten Gefälleunterschieden sind daher prädestiniert für die Wasserkraftnutzung. Erneuerbare Energie aus Wasserkraft wird in Speicher- und Laufwasserkraftwerken gewonnen.
Die Wasserkraft zählt global zu den bedeutendsten und am intensivsten genutzten erneuerbaren Energiequellen. Ihr Anteil an der weltweiten Stromversorgung beträgt etwa 16 Prozent (2011), was einer geleisteten Jahresarbeit von 3.700 Terrawattstunden (TWh) entspricht. Im globalen Vergleich (2012) stammen die höchsten Strommengen aus Wasserkraft aus China (864 TWh), Brasilien (441 TWh), Kanada (376 TWh), USA (277 TWh), Russland 155 (TWH), Norwegen (143 TWh) und Indien (116 TWh). Unter den erneuerbaren Energien verzeichnet zwar die Windkraft global den größten Zuwachs, aber es werden auch neue Wasserkraftprojekte realisiert – derzeit vor allem in China, der Türkei, Vietnam, Brasilien und Russland.
In Europa sind Norwegen und Island besonders begünstigte Länder, die ihren Strombedarf fast vollständig aus Wasserkraft decken können. In Luxemburg, Österreich, Italien, Schweiz und Schweden stammen über 50 Prozent des erzeugten Stroms aus dieser erneuerbaren Energiequelle.
Wasserkraftnutzung in Deutschland
In Deutschland finden sich günstige Bedingungen für die Wasserkraftnutzung in den abfluss- und gefällereichen Regionen der Mittelgebirge, der Voralpen und Alpen sowie an allen größeren Flüssen. Über 80 Prozent des Wasserkraftstroms werden daher im Süden Deutschlands in Bayern und Baden-Württemberg erzeugt. Etwa 86 Prozent des gesamten Regelarbeitsvermögens der großen Wasserkraftanlagen liegt an nur neun großen Flüssen vor. Dies sind in absteigender Reihenfolge Inn, Rhein, Donau, Isar, Lech, Mosel, Main, Neckar und Iller.
Wasserkraftanlagen in Deutschland
In Deutschland wird zwischen kleinen und großen Wasserkraftanlagen unterschieden, wobei die Grenze willkürlich an der Anlagengröße von einem Megawatt (MW) gezogen wurde. In anderen EU Staaten – vor allem im alpinen Bereich – liegt diese Grenze bei zehn MW oder noch höher. Typisch für den Kraftwerksbestand in Deutschland und in Europa einzigartig ist die große Anzahl an Kleinwasserkraftanlagen. Sie dominieren zwar den Anlagenbestand, die wenigen großen Anlagen erzeugen jedoch weit über 80 Prozent des Stroms der gesamten Wasserkraftsparte und haben dementsprechend große Bedeutung für die Höhe der Energieerzeugung aus Wasserkraft in Deutschland. In Deutschland wird kein zentrales Register für Wasserkraftanlagen geführt, wodurch es nicht möglich ist, die Anlagenzahl exakt zu benennen. Dies liegt an der mangelnden Erfassbarkeit der vielen Kleinanlagen, deren Anzahl zu einem gewissen Teil auf Schätzungen beruht. Im Jahr 2011 wurden die vorhandenen Daten über Wasserkraftanlagen durch eine Abfrage bei den Bundesländern und anderen Institutionen im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes zusammengetragen. Demnach beläuft sich die Gesamtzahl aller Wasserkraftanlagen in Deutschland auf etwa 7.600.
Diese Zahl lässt sich noch etwas weiter aufschlüsseln. Durch die jährlichen Meldungen der Übertragungsnetzbetreiber an die Bundesnetzagentur ist bekannt, dass 6.249 Kleinanlagen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im Jahr 2008 vergütet wurden. Bekannt sind des Weiteren die Standorte der großen Anlagen mit einer Leistung oberhalb von einem Megawatt. Es handelt sich um 406 Anlagen. Zu den in Deutschland betriebenen Wasserkraftanlagen zählen zudem 31 Pumpspeicherkraftwerke, von denen elf über einen natürlichen Zufluss verfügen, also auch erneuerbare Energie produzieren.
Stromproduktion aus Wasserkraft in Deutschland
Im Jahr 2012 betrug die Stromproduktion aus Wasserkraft in Deutschland 21.755 Gigawattstunden (GWh) und erreichte 3,6 Prozent vom Bruttostromverbrauch.
Die jährliche Stromgewinnung aus Wasserkraft schwankt um etwa zehn bis 15 Prozent, was im direkten Zusammenhang mit der Abflussführung der Flüsse steht. Je kontinuierlicher die Wasserführung ist und je besser die Ausbauwassermenge genutzt werden kann, desto gleichmäßiger ist der Stromertrag. Hohe Stromerträge waren am Beginn der 2000er-Jahre mit über 22.000 GWh/a möglich, während die Stromgewinnung in den Trockenjahren 2003 und 2011 auf unter 18.000 GWh sank. Der Anteil der Energieerzeugung aus Wasserkraft am Bruttostromverbrauch in Deutschland pendelt zwischen 2,9 und 4,3 Prozent (1991-2012).
In Deutschland sind 4.040 Megawatt (MW) Leistung in Wasserkraftanlagen installiert. Diese Zahl berücksichtigt alle großen Anlagen sowie alle Anlagen, die über das EEG vergütet werden (Stand 2007). Sofern es sich um Wasserkraftwerke handelt, die in grenzbildenden Flüssen wie dem Rhein stehen und von beiden Anliegerstaaten genutzt werden, wurde nur der deutsche Anteil der installierten Leistung berücksichtigt.
Wasserkraftpotenzial in Deutschland
Das Bundesministerium für Umwelt legte im Jahr 2010 eine umfassende Potenzialanalyse für die Wasserkraft vor. Demnach werden gegenwärtig von dem bestehenden Potenzial etwa 80 Prozent (20,9 TWh Regelarbeitsvermögen) genutzt. Das zusätzlich erschließbare Potential beträgt etwa fünf TWh (4,63 – 5,22 TWh). Diese Berechnung berücksichtigt bereits technische, ökologische, infrastrukturelle und andere Belange. Dieser Leistungszuwachs von fünf TWh wäre in erster Linie durch die Optimierung und Modernisierung oder die Reaktivierung von Wasserkraftanlagen an bereits bestehenden Stauhaltungen möglich. Dabei entfallen mindestens 80 Prozent der technischen Zubaumöglichkeiten auf große Gewässer und große Wasserkraftanlagen. Das geringe zusätzliche Potenzial von 20 Prozent rührt aus der langen Tradition der Wasserkraftnutzung in Deutschland und zeigt, dass die vorhandenen Möglichkeiten im Wesentlichen genutzt und erschlossen wurden.
Wasserkraft und Klimawandel
Die Höhe der Wassermenge in einem Fluss wird durch viele Faktoren bestimmt, wobei Niederschlag und Verdunstung einen wesentlichen Einfluss haben. Da diese Einflussgrößen vor allem klimatisch gesteuert sind, ist bei der Abschätzung der zukünftigen Energieerzeugung aus Wasser der Klimawandel mit zu betrachten. Das Umweltbundesamt hat die möglichen Effekte des Klimawandels auf die Ertragssituation der Wasserkraft untersuchen lassen. Demnach kann für die nähere Zukunft mit einer Mindererzeugung aus Wasserkraft um ein bis vier Prozent für die fernere Zukunft von bis zu 15 Prozent gerechnet werden. Exemplarische Simulationsrechnungen für ausgewählte Wasserkraftanlagen am Hochrhein, Lech und Main zeigen, dass deren Ertrag sehr empfindlich auf Schwankungen des Wasserdargebots reagiert. Je nach Szenario ergeben sich Veränderungen der Energieerzeugung von plus neun Prozent bis minus neun Prozent. Um mögliche Mindererzeugungen der Wasserkraft zu kompensieren oder gering zu halten, empfiehlt es sich, die vorhandenen Möglichkeiten zur Optimierung der Anlagen zu nutzen und die Vorhersagemodelle für den Oberflächenabfluss weiter zu verbessern.
