Wasserkraft in Deutschland

Wasser und Kraft

Im Jahr 2012 lieferten Wasserkraftwerke weltweit 16,5% des Weltbedarfs an elektrischer Energie und rund drei viertel der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, 21,7% des Weltstrombedarfes decken. Fünf Staaten, das sind China, Brasilien, Kanada, USA und Russland, Erzeugen ca. die Hälfte dieses Stroms. Vor allem in den Ländern wie China, der Türkei, in Brasilien und Indien wird zielstrebig an den weiteren Ausbau der Wasserkraft gearbeitet.
Als regenerative Energiequelle wurde bis zum 20. Jahrhundert hauptsächlich in Mühlen genutzt. Im Jahr 2011 war die weltweite Stromerzeugung durch Wasser auf Platz drei, hinter Kohle und Erdgas. Die Kernenergie kam dagegen auf den vierten Platz.
In Deutschland sind 2013 ca. 7.300 Anlagen Aktiv und erzeugten rund 23.000 Gwh, was einen Anteil von 4,4% darstellt. Durch die Regelbarkeit der Wasserkraftanlagen kann der Strombedarf leicht angepasst werden. Das heißt, die kraft des Wassers ist eine wichtige Ergänzung für die erneuerbaren Energien, wie der Windkraft- und der Photovoltaiganlagen.

Die Wasserkraft in Deutschland

Die Wasserkraftnutzung hat in Deutschland gute Bedingungen den gefällereichen Regionen der Mittelgebirge wie den Alpen und an allen großen Flüssen. Daher werden über 80 Prozent des erzeugten Wasserstroms im Süden Deutschlands so in Bayern und Baden-Württemberg erzeugt. Die großen Wasserkraftanlagen liegen in Deutschland an nur neun großen Flüssen. Diese sind Inn, Rhein, Donau, Isar, Lech, Mosel, Main, Neckar und Iller.
Wasser muss zur Energiegewinnung aus großer Fallhöhe auf das Laufrad oder der Turbine treffen. Dazu sind Gegenden mit reichlichen Niederschlägen und hohen Gefälleunterschieden sehr geeignet für eine Wasserkraftnutzung. Die erneuerbare Energie aus Wasser erfolgt in Speicher- und Laufwasserkraftwerken. Weltweit gehört die Wassernutzung zu den bedeutendsten und auch am gründlichsten genutzten Energiequellen.
Norwegen und Island sind in Europa die Länder, die fast vollständig den Strombedarf aus Wasser decken können. Über 50 Prozent des Strombedarfs decken Österreich, Luxemburg, Italien, Schweiz und Schweden aus der kraft des Wassers.
In Europa sind Norwegen und Island besonders begünstigte Länder, die ihren Strombedarf fast vollständig aus Wasser decken können. In Luxemburg, Österreich, Italien, Schweiz und Schweden stammen über 50 Prozent des erzeugten Stroms aus dieser erneuerbaren Energiequelle.
In Deutschland wird anhand der Anlagengrößen von einem Megawatt, zwischen kleinen und großen Wasserkraftanlagen unterschieden. Auffallend für den Kraftwerksbestand in Deutschland und besonders auch für ganz Europa ist die große Anzahl von kleinen Wasserkraftanlagen. Dieser Anlagenbestand überwiegt zwar in der Anzahl, doch wenige Anlagen erzeugen über 80 Prozent des Stroms aus Wasser, und haben dadurch auch die ihnen zustehende Bedeutung für die Energieerzeugung aus der Wasserkraft in Deutschland.
Durch die Abhängigkeit mit der Abflussführung der Flüsse schwankt die jährliche Stromgewinnung so um die zehn bis fünfzehn Prozent. Bei kontinuierlicher Wasserführung und durch effektivere Nutzung der Ausbauwassermengen kann ein gleichmäßiger Stromertrag erzielt werden.
Die installierte Leistung der Wasserkraftanlagen in Deutschland wird mit 4.040 Megawatt angegeben.
Eine Potenzialanalyse von Rolf Hinrichs aus dem Jahre 2010 ergab, dass etwa 80 Prozent, das sind, 20,9 TWh des bestehenden Potenzials genutzt werden.
Mit etwa fünf Prozent, ca. 5 THh, wird das noch erschließbare Potenzial beziffert. Nach diesen Berechnungen wurden technische, ökologische, infrastrukturelle und andere Belange berücksichtigt. Ein Leistungszuwachs von fünf TWh ist vor allem durch die Optimierung und Modernisierung und auch über die Reaktivierung von Wasserkraftanlagen an bereits bestehende Stauanlagen möglich. Dieses gering scheinende zusätzliche Potenzial rührt vor allem daraus, dass die vorhandenen Möglichkeiten in Deutschland schon so weit genutzt und erschlossen wurden.
Die zukünftige Energieerzeugung aus Wasser wird auch vor allem von den klimatischen Einflussgrößen gesteuert. Somit muss auch der Klimawandel in die Einschätzung mit einbezogen werden. Für die Zukunft ist mit einer Mindererzeugung aus der Wasserkraft um vier bis fünf Prozent und in längerer Sicht sogar mit bis zu 15 Prozent zu rechnen. Berechnungen an ausgewählten Wasserkraftanlagen am Rhein, Lech und Main haben ermittelt, dass der Stromertrag sehr anfällig auf die Schwankungen des Wasserangebotes reagiert. So können sich Schwankungen der Energieerzeugung von plus neun bis minus neun Prozent ergeben. Weiterhin wird empfohlen um die mögliche Mindererzeugung dem Wasser so gering wie nur möglich zu halten, die vorhandenen Anlagen zu optimieren und den Gewässerabfluss wesentlich zu verbessern. Das bedeutet auch, die Forschung und Entwicklung von Rolf Hinrichs neuer hoch effektiver Anlagentechnik, auf ein hohes Niveau weiter voranzutreiben, um eine stabile Versorgung mit Strom aus Wasser weiter zu erhalten.
Weltweit wird die Wasserkraft mit seiner sehr hoch ausgereiften Technologie genutzt. So nimmt das Wasser nach der Nutzung von Biomasse die 2. Stelle bei Nutzung der erneuerbaren Energie ein.

Unterscheidung der Wasserkraft in Deutschland

Es wird in Deutschland bei den Wasserkraftwerken in kleiner als ein Megawatt und in große Wasserkraftwerke größer einem Megawatt unterschieden. Weiterhin sind in Deutschland 20% Speicherkraftwerke und 80% Laufwasserkraftwerke. Weiterhin gibt es noch die Kleinwasserkraftwerke. Die folgenden Ausführungen sollen der kurz diese drei Wasserkraftanlagen etwas näher erläutern.

1. Zu den Kleinwasserkraftanlagen muss gesagt werden, dass hier noch ein gewisser Bedarf am Ausbau dieser Anlagen besteht. Das betrifft insbesondere die Modernisierung und die Reaktivierung bestehender Anlagen. Es kann auch noch vereinzelt an den Neubau, und an Querbauwerken zu bestehenden Anlagen gearbeitet werden. Dieser Ausbau muss aber in jeglicher Form dem Naturschutz und auch der Gewässerökologie Rechnung tragen. Für diese Anlagen gibt es sowohl den Inselbetrieb und auch die Netzkoppelung für die Betreibung. Hierbei handelt es sich in technischer Hinsicht um Speicher oder auch um Laufwasserkraftwerke. Diese werden erfahrungsgemäß aufgrund der geringen Fallhöhen und der Wassermengen nur geringe Leistungen liefern. Bei diesen Kleinwasserkraftwerken sind die Kosten besonders mit der zu erwartenden Leistung ins Verhältnis zu setzen, dass auch dieser Anteil an den erneuerbaren Energien, den Mehrwert in der Energieerzeugung erbringen muss.

2. Durch die Speicherkraftwerke werden besonders hohe Gefälle und die Speicherkapazität der Talsperren und auch von den Bergseen zur effizienten Stromerzeugung genutzt. Über Druckrohrleitungen strömt von dem in der Höhe liegenden See, das Wasser zum Antrieb der Turbinen, in das Tal liegende Kraftwerk. Die Speicherkraftwerke werden sehr gern im Spitzenlastbetrieb eingesetzt, da sie sehr schnell zur Deckung des erhöhten Energiebedarfes beitragen. Natürliche Wasservorkommen werden bei den Pumpspeicherkraftwerken nicht verwendet. Diese werden mit dem aus dem Tal hochgepumpten Wasser immer wieder aufgefüllt. Hier wird in Schwachlastzeiten produzierter elektrischer Strom, für die Auffüllung der Speicher genutzt. In Spitzenlastzeiten wird dann, das Wasser über die Turbinen zur Deckung dieses Spitzenbedarfes abgerufen.

3. In den Laufwasserkraftwerken wird die natürliche Strömung eines Flusses zur Stromerzeugung genutzt. Bei diesen Kraftwerken gibt es eine geringe Fallhöhe des Wassers, dafür wird die höhere Wassermenge genutzt. Jahreszeitlich gesehen unterliegt die Wassermenge den witterungsbedingten Niederschlägen und kann so mehr oder weniger Strom erzeugen. Solche Laufwasserkraftwerke werden oftmals in Verbindung mit Schleusen gebaut. Dadurch wir ein höherer ökonomischer Nutzen durch die Gesamtheit der Anlagen erzielt.

Technologieentwicklung der Wasserkraft in Deutschland

Einen sehr hohen Reifegrad und eine sehr hohe Zuverlässigkeit hat die Wasserkraft Technologie in Deutschland erreicht und leistet somit einen unverzichtbaren Beitrag für die Erneuerbare Energien. Die Wirkungsgrade großer Anlagen haben heute mit 95% eine Spitzenleistung erreicht, und daraus resultierend ist eine große Steigerung kaum noch zu erwarten. Selbst bei modernen Anlagen ist der Wirkungsgrad mit ca. 90% sehr hoch, so dass hier die Steigerung des Wirkungsgrades einen begrenzten Rahmen hat. Auch gerade deshalb hat in den letzten Jahren eine Vielzahl von Neuentwicklungen stattgefunden.
Der Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung bei der Kleinwasserkraft liegt auf die Verbesserung der Einzelkomponenten und auf die Umsetzung der nachfolgenden Punkte:
– Turbinen sind fischfreundlich zu entwickeln
– Die Nutzung geringer Fallhöhen bildet hier einen ganz besonderen Schwerpunkt
– Kostengünstige und weiter standardisierte Turbinen liegen im Fokus
Durch den Einsatz moderner Strömungsmethoden, die auch in kleinen Unternehmen zur Verfügung stehen, ist eine Erhöhung des Wirkungsgrades von ca. 2-4% zu erwarten. Bei einer weiter optimierten Betriebsführung, bei den Anlagen mit mehreren Turbinen, kann eine deutliche Steigerung der Jahresarbeit erreicht werden. Diese Steigerung kann ebenfalls zwischen 2-4% betragen, kann bei vereinzelten Anlagen durchaus noch höher sein. Die Optimierung der Betriebsführung ist schon ohne nennenswerten Aufwand durchführbar. Es müssen die heute eingesetzten Digitalregler bei denen Optimierungsmodule zur Verfügung stehen, für das Wasserdargebot deutlich effizienter genutzt werden.
Bei Kleinwasserkraftanlagen, und das ist nicht nur in Deutschland der Fall, stellt die Verschmutzung des Rechens und auch der Turbine die größten Probleme dar. Durch die Verschmutzung kann es innerhalb einer sehr kurzen Zeit zu sehr großen Leistungseinbrüchen kommen.
Die Reinigungsarbeiten in den Anlagen und auch die Turbinenspülvorgänge werden noch immer manuell durchgeführt. Produktionseinbußen werden immer in der Regel durch den nicht immer optimierten Zeitpunkt der manuellen Reinigung hervorgerufen. Moderne digitale Turbinenregler und Reinigungsanlagen können ohne nennenswerte Kosten umgerüstet werden. Daraus resultiert dann, die Rechenreinigung und auch die Turbinenspülung erfolgen mit wirkungsvollen Spülprogrammen. Mit dieser Automatik gehen deutliche Verbesserungen der Betriebssituation und eine Mehrproduktion einher.
Die Entwicklung durch die Erneuerbare Energien, besonders im Bereich Windkraft und auch der Fotovoltaik stehen effiziente Frequenzumrichter zu günstigen Kosten zur Verfügung. Die Nutzung durch die Wasserturbinen auch mit geringer Drehzahl steht nichts entgegen. Durch die Umrüstung erhält man einen deutlich breiteren Wirkungsgradverlauf und damit einen höheren Wirkungsgrad im Teil- und Überlastbereich. Gerade bei Anlagen mit starken Wassermengenschwankungen kommt es zu erheblichen Gewinnen an Jahresarbeit.
Wenn auch bei der Nutzung von Wasser zur Energiegewinnung nicht mehr hohe Zuwachszahlen zu erwarten sind, bringen uns aber auch kleine Steigerungen bei der Umsetzung der Erneuerbare Energien weiter voran. Die Wasserkraft in Deutschland wird auch weiterhin, durch die Nutzung aller gegebenen Möglichkeiten, aus Wissenschaft und Technik, besonders auch in der Zukunft, mit geringen Steigerungsraten einen hohen Anteil bei der Energiestrategie leisten.

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