Wasserkraft

hochkant=1.35|mini|Drei-Schluchten-Talsperre in China hochkant=1.35|mini|Das Itaipu-Kraftwerk am Rio Paraná in der Grenzregion Brasilien-Paraguay Wasserkraft (auch: Hydroenergie) ist eine regenerative Energiequelle. Der Begriff bezeichnet die Umsetzung potenzieller oder kinetischer Energie des Wassers mittels einer Wasserkraftmaschine in mechanische Arbeit.

Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Wasserkraft hauptsächlich in Mühlen genutzt. Heute wird fast immer elektrischer Strom mit Hilfe von Generatoren erzeugt. 2024 lieferten Wasserkraftwerke weltweit 4416 TWh, was einem Anteil von 14,3 % an der weltweiten Stromerzeugung entspricht. Damit war Wasserkraft nach der Verstromung von Kohle (34,4 %) und Erdgas (22 %) und vor Kernenergie (9 %), Windenergie (8,1 %) und Photovoltaik (6,9 %) die drittbedeutendste Form der Stromproduktion.Global Electricity Review 2025. Ember Climate. Abgerufen am 8. April 2025.

Geschichte mini|Laufwasserkraftwerk von 1892 an der Amper in Schöngeising Die Geschichte der Wasserkraft geht weit zurück. Historiker vermuten, dass sie in China bereits vor 5000 Jahren genutzt wurde. Weitere alte Kulturen am Nil, Euphrat und Tigris und am Indus haben vor 3500 Jahren die ersten, durch Wasserkraft angetriebenen Maschinen in Form von Wasserschöpfrädern zur Bewässerung von Feldern eingesetzt. Zu Zeiten der Römer und Griechen wurde Wasser dann als Antriebsmittel für Arbeitsmaschinen in vielfältiger Art und Weise genutzt. Etwa im 2. Jahrhundert v. Chr. wurde die Archimedische Schraube erfunden, die bis heute genutzt wird.

Ab dem 9. Jahrhundert n. Chr. wurde das unterschlächtige Wasserrad eingesetzt. Fünf Jahrhunderte später wurde das oberschlächtige Wasserrad erfunden. Hier wird neben der Bewegungsenergie des Wassers auch seine potentielle Energie genutzt.

1767 stellte der englische Bauingenieur John Smeaton das erste Wasserrad aus Gusseisen her, was eine wesentliche Voraussetzung für die Industrielle Revolution war, da es durch seine enorm höhere Belastbarkeit größere Leistungen ermöglichte. Das um 1826 erfundene unterschlächtige Wasserrad mit krummen Schaufeln hat etwa den doppelten Wirkungsgrad wie unterschlächtige Wasserräder mit geraden Schaufeln. All diese Verbesserungen trugen zur Mechanisierung, zur Industrialisierung und zum wirtschaftlichen Aufschwung bei.

Ende des 18. Jahrhunderts gab es in Europa etwa 500.000 bis 600.000 Wassermühlen, die (Getreide)-Mühlen und andere Arbeitsmaschinen antrieben. Die durchschnittliche Leistung dieser Mühlen betrug zwischen 3 und 5 kW, die größten Anlagen hatten bis über 40 kW.Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 9., aktualisierte Auflage. München 2015, S. 327.

1842 entwickelte der französische Ingenieur Benoît Fourneyron den Vorläufer einer Francis-Wasserturbine. Mit dieser Technik konnten größere Wassermengen und höhere Gefälle ausgenutzt werden, was zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Wasserrädern führte. Als Werner von Siemens 1866 den elektrodynamischen Generator erfand, wurde die Umwandlung von Wasserkraft in elektrischen Strom möglich.

1880 wurde das erste Wasserkraftwerk im englischen Northumberland in Betrieb genommen, um das Landhaus Cragside mit Strom zu versorgen. Am 30. September 1882 eröffnete das Wasserkraftwerk am Fox River in Appleton (Wisconsin).The World's First Hydroelectric Power Plant Began Operation Im August 1895 begann an den Niagarafällen das erste Großkraftwerk der Welt, Edward Dean Adams Power Plant, die Stromproduktion. Der Holzstoff-Fabrikant Konrad Fischer ließ die Elektricitäts-Werke Reichenhall bauen; es nahm am 15. Mai 1890 den Betrieb auf. Es gilt als das erste Wechselstrom-Kraftwerk in Deutschland und das erste E-Werk in Bayern.Toni Schmidberger: Das erste Wechselstrom-Kraftwerk in Deutschland, 1984, S. 9–33.

1902 fand in Grenoble – 1914 und 1925 zusätzlich mit Ausstellung, dann in Lyon und wieder in GrenobleRaoul Blanchard: L'Exposition de Grenoble. In: Revue de géographie alpine. Tome 13 Nr. 4., 1925, S. 754 (französisch). – der Congrès de la houille blanche statt. Die Bezeichnung „Weiße Kohle“ verdeutlicht die Bedeutung, die man dieser Energiequelle beimaß. Der Begriff leitet sich ab vom Wasser der Bergregionen, das oft weiß-schäumend zu Tal fließt. Einen wesentlichen Schub erhielt die Wasserkraft mit der Elektrifizierung der Eisenbahnstrecken. Elektrolokomotiven haben schon beim Anfahren das volle Drehmoment; bei Dampflokomotiven nimmt es mit wachsender Geschwindigkeit zu. Außerdem können E-Lokomotiven bei Bergabfahrt oder beim Bremsen kinetische Energie rekuperativ in elektrischen Strom verwandeln. Gerade in den Bergregionen, wo Wasserkraft ortsnah vorhanden ist, bauten Eisenbahngesellschaften Kraftwerke. Die Elektrizität ist auch „die kleine Schwester der Eisenbahn“ genannt worden.François Caron: À propos de la dynamique des systèmes: pour une histoire des relations entre Électricité et Chemin de fer, in: Électricité et électrification dans le monde, Presses universitaires de France, Paris 1992, ISBN 978-2-915797-59-6, S. 477–486 (französisch).

Die aktuelle Entwicklung im Bereich der Strömungskraftwerke verzeichnet deutliche Fortschritte, die sich in der erfolgreichen Installation erster Turbinenanlagen zeigen. Diese Technologien stellen keine Gefahr für Fischpopulationen dar und erfordern weder Aufstaukonstruktionen noch umfangreiche Betonbauten.

Nutzung Weltweit Wasserkraft verfügt über ein großes Potential zur Stromerzeugung, wobei die jeweiligen Potentiale abhängig von Niederschlagsmengen und topographischen bzw. geographischen Verhältnissen regional sehr stark schwanken. Das technisch nutzbare Potential wird auf ca. 26.000 TWh pro Jahr geschätzt, von denen 21.000 TWh auch unter ökonomischen Gesichtspunkten genutzt werden könnten. Das tatsächlich erschließbare Potential liegt bei ca. 16.000 TWh, was etwa dem weltweiten Strombedarf des Jahres 2005 entspricht.Zhou et al., A comprehensive view of global potential for hydro-generated electricity. In: Energy and Environmental Science 8, (2015), 2622–2633, doi:10.1039/c5ee00888c.

Im Jahr 2020 waren weltweit Wasserkraftwerke mit einer kumulierten Leistung von zusammen rund 1330 GW installiert, die rund 4300 TWh elektrischer Energie produzierten. Damit lieferte die Wasserkraft 16,0 % des Weltbedarfes an elektrischer Energie und rund 58 % der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, die 27,8 % des Weltstrombedarfes deckten. Dies entspricht etwas mehr als der 1,6-fachen Produktion der Kernkraftwerke, die 2020 2.700 TWh lieferten. Rund 60 % der weltweiten Erzeugung findet in den fünf Staaten China, Brasilien, Kanada, USA und Russland statt. Website von BP. Abgerufen am 8. Juli 2021. 2014 wurde davon ausgegangen, dass global betrachtet im nächsten Jahrzehnt etwa 180 GW an Wasserkraftleistung zugebaut werden, hauptsächlich in China, der Türkei, Brasilien und Indien.Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg: Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39, (2014), 748–764, S. 751f, doi:10.1016/j.rser.2014.07.113.

+ Zehn der größten Wasserkraft-Produzenten im Jahr 2020. Website der International Hydropower Association (iha). Abgerufen am 16. Juli 2021. Land JährlicheProduktion(TWh) InstallierteKapazität(GW) Kapazitäts-faktor Anteil an gesamterStromproduktionin jenem Land in % 1322,0 370,2 0,41 16,99 396,8 109,3 0,41 63,99 384,7 82,0 0,54 59,75 288,7 102,0 0,32 6,73 212,4 49,9 0,49 19,57 163,6 50,5 0,37 10,48 141,0 33,0 0,49 91,25 78,1 31,0 0,29 25,56 77,5 49,9 0,18 7,72 73,3 16,5 0,51 43,36

Europa In Deutschland waren Ende des Jahres 2006 7.300 Anlagen aktiv und leisteten 2007 zur gesamten Stromerzeugung einen Beitrag von 3,4 %. In Österreich sind es ca. 56,6 % und in der Schweiz ca. 52,2 %.Eurostat Energiestatistik In Deutschland decken Wasserkraftwerke derzeit ca. 4 % des deutschen Strombedarfs; 1950 waren es noch ca. 20 % gewesen. Ursächlich für diesen Rückgang war der seit 1950 stark gestiegene Stromverbrauch, weshalb der relative Beitrag der Wasserkraft im genannten Zeitraum trotz des Neubaus von Wasserkraftwerken absank.Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 9. aktualisierte Auflage. München 2015, S. 327f.

Unter den Mitgliedstaaten der Europäischen Union tragen Schweden, Italien und Frankreich am meisten mit Energie aus Wasserkraft bei: Im Jahre 2011 lieferte Schweden 66 TWh, an zweiter Stelle standen Italien und Frankreich mit jeweils rund 45 TWh.BMWi: . Berlin 2013.

Da Wasserkraftanlagen regelbar sind und damit leicht dem Strombedarf angepasst werden können, können sie eine wichtige Ergänzung für andere nicht grundlastfähige erneuerbare Energien wie Windkraft- und Photovoltaikanlagen darstellen.Zhou et al.: A comprehensive view of global potential for hydro-generated electricity. In: Energy and Environmental Science 8, (2015), 2622–2633, S. 2630, doi:10.1039/c5ee00888c.

Land Stromerzeugung (GWh, 2013)Eurostat nrg_105a Stromerzeugung aus Wasserkraft (GWh, 2013)Eurostat ten00081 Anteil in % (2013) Wasserkraftpotential (Schätzung 1950) (Sommer/Winter)Belgien819003800,5 –Bulgarien27500408014,8 2000Dänemark31200130 –Deutschland518100229984,4 20000Finnland798001283816,1 10000Frankreich4392007048916,0 40000Großbritannien31750046991,5 3000Irland244005782,4 1000Italien2874005277318,4 40000(Jugoslawien)Durch Zusammenrechnung von Slowenien, Kroatien, Serbien und Makedonien614002463740,1 8000Slowenien12600484938,5Kroatien15100800153,0Serbien269001020337,9Makedonien6800158423,3Niederlande1062001140,1 –Norwegen109300128477117,5 80000Österreich629004197766,735000 30000Polen12410024392,0 5000Portugal453001373030,3 1000Rumänien403001495737,1 3000Schweden1250006136149,1 65000Schweiz69633BFE: Überblick über den Energieverbrauch der Schweiz im Jahr 2014 (Landeserzeugung)3930856,410000 7000Spanien2317003678015,9 30000(Tschechoslowakei)Durch Zusammenrechnung von Tschechien und der Slowakei11660077966,7 6000Tschechien5670027344,8Slowakei25100484919,3Ungarn348002130,6 1000

Wasserkraftwerke

Klassifizierung Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen von Wasserkraftanlagen. Ihre Einteilung ist nicht immer ganz eindeutig und kann nach unterschiedlichen Aspekten erfolgen. Man kann folgende Einteilungen vornehmen:

Betrachtungsweise Klassifizierung Nutzfallhöhe Niederdruckanlage (Fallhöhe < 15 m)Mitteldruckanlage (Fallhöhe < 50 m)Hochdruckanlage (Fallhöhe > 50 m) Energiewirtschaft GrundlastkraftwerkMittellastkraftwerkSpitzenlastkraftwerk Installierte Leistung Kleinwasserkraftanlagen (< 1 MW)mittelgroße Wasserkraftanlagen (< 100 MW)Großwasserkraftanlagen (> 100 MW) Topographie Oberlauf (Speicherkraftwerk)Mittellauf (Laufwasser- und Speicherkraftwerk)Unterlauf (Flusskraftwerk)Meer (Gezeitenkraftwerk) Betriebsweise InselbetriebVerbundbetrieb Medium GewässerTrinkwasseranderes Pipeline-Medium (Öl: TAL)

Anlagentypen Laufwasserkraftwerk Speicherkraftwerk und Pumpspeicherkraftwerk Wellenkraftwerk Gezeitenkraftwerk Gradientenkraftwerk (Osmosekraftwerk und Meereswärmekraftwerk) Strömungskraftwerk

Turbinen

mini|hochkant|Laufrad einer Pelton-Turbine Klassifizierung Wie auch bei den Kraftwerkstypen, können Turbinen nach verschiedenen Aspekten differenziert werden: Nach der Beaufschlagung (teil- oder vollbeaufschlagt), der Radform (radial, diagonal, axial), der Bauweise (senkrecht oder waagerecht zur Wellenlage) sowie der Wirkungsweise, welche das wohl gebräuchlichste Unterscheidungsmerkmal darstellt. Demnach gibt es Gleichdruckturbinen und Überdruckturbinen.

Typen Pelton-Turbine/Freistrahlturbine Durchströmturbine/Ossbergerturbine Francis-Turbine Kaplan-Turbine Jonval-Turbine Wasserrad

Je nach Turbinentyp und Betriebspunkt besteht die Gefahr von Schäden durch Kavitation.

Allgemeine Grundlagen Energetisch