Mit Wasserkraft zu klimafreundlichem Strom in

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Mit der Bewegungsenergie des Wassers zuverlässig und kostengünstig Strom produzieren, das kann heute unter anderem durch Wasserkraftwerke gelingen. Dabei ist die Idee dahinter nicht neu: Schon vor 5000 Jahren begannen die Menschen im heutigen Nahen Osten damit, ihre Felder mit einfachen Wasserrädern zu bewässern. Dass man die natürliche Energie der Wasserkraft nutzen kann, um mit Wasserschöpfrädern Maschinen anzutreiben, erkannten jedoch als erste die Müller und Schmiede des europäischen Mittelalters. Mittlerweile sind weltweit mehrere Tausend zum Teil sehr große Anlagen in Betrieb, welche heute bereits einen großen Beitrag zur Jahresstromproduktion liefern können. Die Vorteile solcher Kraftwerke liegen auf der Hand, so erzeugen sie doch das ganze Jahr über zuverlässig Strom, ohne dabei Schadstoffe oder Treibhausgase in die Atmosphäre zu entlassen.
Letzte Aktualisierung : November 2022

Wie moderne Wasserkraftwerke funktionieren, welche Kosten bei ihrem Betrieb entstehen und wie Deutschland bei der Wasserkraft im weltweiten Vergleich abschneidet, erfahren Sie in diesem Beitrag.

 

Was sind Wasserkraftwerke?

Im Prinzip sind Wasserkraftanlagen Kraftwerke, in denen die elektrische Energie durch die Bewegungsenergie von Wasserströmungen erzeugt wird. Dabei wirkt das strömende Wasser auf eine oder mehrere Turbinen des Kraftwerks und versetzt diese in Bewegung, wobei über einen Generator Strom erzeugt wird. Was die Bewegung des Wassers verursacht, ist dabei grundsätzlich nachrangig. So gibt es sowohl Kraftwerke, die an Flüssen oder Stauseen betrieben werden, wie auch Gezeitenkraftwerke mitten auf dem Meer. Doch wie funktionieren Wasserkraftwerke genau?

Was ist Wasserkraft? – einfach erklärt

Wasserkraftwerke nutzen den Umstand aus, dass Wasser sich grundsätzlich entlang jeden Gefälles nach unten bewegen möchte. Damit ist die sogenannte potenzielle Energie des Wassers gemeint. So bildet sich zum Beispiel auch die Fließrichtung eines Flusses: Das Wasser strebt dem tiefsten Punkt entgegen, es fließt „stromabwärts“. Die dabei entstehende Kraft verwenden Wasserkraftwerke, um nachhaltige Energie zu erzeugen. Sie stellen dem strömenden Wasser die Schaufelräder ihrer Turbinen gleichsam in den Weg, was diese in Rotation versetzt. Dabei wird über einen angeschlossenen Generator elektrischer Strom erzeugt, ganz ähnlich wie bei einem Dynamo. Dabei kommt es nicht darauf an, was das Wasser in Bewegung versetzt hat. So kann man die Fließbewegung eines Flusses genauso für Wasserkraftwerke nutzen wie die Strömungsenergie eines Gezeiten-Meeres oder das Gefälle einer Flusstalsperre. Da abgesehen vom Bau keine klimaschädlichen Treibhausgase anfallen, ist der Betrieb von Wasserkraftwerken CO₂-neutral und umweltfreundlich.

Die wichtigsten Fakten zu Wasserkraftwerken

  • 7300 Wasserkraftanlagen gibt es in Deutschland. Gesamtleistung: 5600 MW
  • Etwa 20 Terawattstunden werden hierzulande mit Wasserkraft im Jahr produziert
  • 95 Prozent der Anlagen sind Kleinstkraftwerke mit einer Leistung von unter einem Megawatt
  • Der Anteil der Wasserkraft an der deutschen Stromerzeugung liegt bei etwa 4 Prozent
  • Pumpspeicherkraftwerke könnten zukünftig als Speicher für Energie aus Windkraft- und PV-Anlagen dienen

Geschichte der Wasserkraftwerke

Die Nutzung der Wasserkraft reicht zeitlich weit zurück. Die Menschen des Altertums hatten die natürliche Bewegungsenergie des Wassers zwar schon früh erkannt. Sie nutzten sie jedoch vorerst nur, um mit Schaufelrädern höherliegende Bereiche ihrer Felder und Bewässerungskanäle erreichen zu können. Den ersten Durchbruch brachten dann die Wassermühlen des Mittelalters. Hier wurde erstmals die Bewegung einer Strömung genutzt, um mechanische Arbeit zu verrichten. Das echte Potenzial der Wasserkraft wurde dann während der Industrialisierung des 19. Jahrhunderts erkannt. Die Verbreitung der elektrischen Energie und vor allem die Erfindung des elektrodynamischen Generators legten die Grundlagen für heutige Wasserkraft. Um die Jahrhundertwende entstanden nun in rascher Folge viele kleine und auch erste Großkraftwerke, vor allem zur Versorgung von abgelegenen Gebieten mit elektrischem Licht. Ein Beispiel ist etwa der 1895 fertig gestellte Kraftwerkskomplex Edwar-Dean-Adams in den Niagarafällen: Mit einer Leistung von 87,3 Megawatt gilt es auch nach heutiger Terminologie als Großkraftwerk. Heute sind weltweit mehrere Tausend Wasserkraftwerke im Einsatz, die etwa 4300 Terawattstunden elektrische Energie produzieren. Dies entspricht was etwa 16 Prozent des weltweiten jährlichen Bedarfs.

Geschichte der Wasserkraft
Jahr Ereignis
3000 v. Chr. Erfindung von Wasserrädern für die Bewässerung in Mesopotamien und China
900 n. Chr. Wasserschöpfräder werden nun in Europa von Mühlen und Schmieden eingesetzt
1866 Erfindung des elektrodynamischen Generators durch Werner von Siemens
1880 Erstes Wasserkraftwerk zur Elektrizitätserzeugung in Northumberland, England
1890 Erstes Kraftwerk in Deutschland, angetrieben per Reaktionsturbine, in Reichenhall
1895 Erstes Großkraftwerk der Welt in den Niagarafällen mit 87,3 MW Leistung
1941 Fertigstellung der Grand-Coulee-Talsperre am Columbia-River in Washington: 6809 MW
1970 Errichtung des Assuan-Staudamms in Ägypten mit 2100 MW Leistung
2012 Endgültige Fertigstellung der Drei-Schluchten-Talsperre in China mit 22,5 GW

Welche Arten von Wasserkraftwerken gibt es?

Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Wasserkraftwerke Arten: Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke. Während Laufwasserkraftwerke die natürliche Fließbewegung des Wassers zur Stromerzeugung nutzen (z. B. Strömungskraftwerk), können Speicherkraftwerke große Teile des Wassers für längere Zeit zurückhalten und die Anlage erst bei Bedarf in Betrieb nehmen (z. B. Stauseen). Die meisten in Deutschland eingesetzten Anlagen sind Laufwasserkraftwerke in Form von Flusskraftwerken. Folgende Arten von Wasserkraftanlagen werden unterschieden:

Flusskraftwerk

Hier wird das Flusswasser beständig durch eine Turbine geleitet, wobei auf die Menge des durchfließenden Wassers kein oder kaum Einfluss genommen werden kann. Es handelt sich also um ein Strömungskraftwerk. Die für einen ausreichenden Wirkungsgrad nötige Staumauer (Wehranlage) kann dabei nicht sehr groß gewählt werden. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, die Menge des Durchlaufes durch die Errichtung vorgeschalteter Staubecken an den Bedarf anzupassen. Flusskraftwerke eignen sich vor allem für den Grundlastbetrieb.

Gezeitenkraftwerk

Das Prinzip ist ähnlich zum Flusskraftwerk, jedoch wird hier der natürliche Tidenhub (Ebbe und Flut) von Meeren ausgenutzt. Dazu wird eine Wehranlage samt Turbinen und Generatoren in Ufernähe oder Flussmündungen errichtet. Auch ein Gezeitenkraftwerk ist ein Strömungskraftwerk und eignet sich vornehmlich für den Grundlastbetrieb.

Speicherkraftwerk

Diese Anlagen werden vor allem an großen Gefällelagen in Form von Talsperren errichtet. Hier wird durch das Anlegen eines großen Rückhaltebeckens oder Staudamms ein Wasserreservoir gebildet. Dies ermöglicht die zeitlich flexible Durchleitung des Wassers durch die stromerzeugenden Turbinen. Mit einem Speicherkraftwerk kann also genau dann sehr viel Strom erzeugt werden, wenn er gerade benötigt wird. Speicherkraftwerke können daher zur Bewältigung der Spitzenlast eines Stromnetzes eingesetzt werden.

Pumpspeicherkraftwerk

Ebenso wie bei den normalen Speicherkraftwerken wird hier ein Stausee angelegt, jedoch ist dieser über elektrische Pumpen mit einem Tiefbecken verbunden. Bei normalem Strombedarf wird das Wasser in das tiefer gelegene Becken abgelassen und durch eine Generator-Turbine Energie erzeugt. In Zeiten niedrigen Energiebedarfs oder Energieüberschusses wird das Wasser mit den elektrischen Pumpen wieder nach oben in den Speicher befördert, wo seine potenzielle Energie nun für die erneute Energiegewinnung zur Verfügung steht. Pumpspeicherkraftwerke können große Mengen Energie speichern und werden daher von vielen als Schlüsseltechnologie für die Energiewende betrachtet.

Wellenkraftwerk

Diese neuartige Technologie ist noch in der Entwicklung und verspricht die Gewinnung von Energie durch die Nutzung der natürlichen Wellenbewegungen in Küstennähe. Kandidaten für eine erfolgreiche Umsetzung sind zum Beispiel pneumatische Kammern oder bewegliche Dämpfungsglieder mit integrierten Generatoren. Bis zu einem kommerziellen Einsatz sind jedoch noch Jahre an Forschungsarbeit notwendig.

Was kostet ein Wasserkraftwerk?

Je nach Bauart und Lage entstehen für die Errichtung einer Wasserkraftanlage unterschiedliche Kosten. Im Durchschnitt fallen etwa 8718 Euro je erreichter Kilowattstunde Leistung an. So kostete zum Beispiel das 2010 fertig gestellte Laufwasserkraftwerk Rheinfelden 380 Millionen Euro bei einer Dauerleistung von 100 Megawatt (MW). Die jährlichen Betriebskosten betragen dabei circa 5 Prozent der Investitionskosten.

 

Wie funktionieren Wasserkraftwerke?

Wasserkraftanlagen nutzen die kinetische Energie fließenden Wassers aus, wie sie entweder an starken Gefällen oder natürlichen Fließgewässern auftritt. Dabei wird zwischen Laufwasserkraftwerken und Speicherwasserkraftwerken unterschieden. Während Speicherkraftwerke das Wasser in einer Talsperre oder einem Staudamm vorrangig für Spitzenauslastungen speichern, nutzen Laufwasserkraftwerke die Energie des Wassers die ganze Zeit über.

wasserkraftwerk

Wie wird aus Wasser Strom erzeugt?

Das in die Anlage einströmende Wasser gibt einen Teil seiner Bewegungsenergie an die Turbine(n) des Kraftwerkes ab, indem es diese in eine Drehbewegung versetzt. Diese kinetische Energie wird über die Getriebewelle an einen elektrodynamischen Generator übertragen, der sie in elektrische Energie umwandelt.

Wie funktionieren die unterschiedlichen Wasserkraftanlagen?

Das Prinzip von einer durch Wasserbewegung in Drehung versetzter Turbinenwelle ist bei allen derzeit genutzten Wasserkraftanlagen gleich. Der Unterschied ergibt sich dabei im Wesentlichen aus der Konstruktion der sogenannten Wehr (Aufstauung des Wasser).

Das Flusskraftwerk

Dieses klassische Laufwasserkraftwerk verfügt in der Regel nur über eine kleine Wehranlage. Diese soll lediglich gewährleisten, dass das Wasser mit genügend Druck und damit Energie auf die Turbine trifft. Obwohl es dabei zu einer gewissen Aufstauung kommt, wird das Wasser nicht gespeichert. Stattdessen wird die Wasserströmung, etwa eines Flusses oder an einer Meerenge, zur kontinuierlichen Stromerzeugung genutzt. Flusskraftwerke (oder auch Laufwasserkraftwerke) eigenen sich daher gut für die Grundlastversorgung eines Stromnetzes.

Speicherwasserkraftwerk

Hier werden in einem Staudamm große Mengen Wasser gespeichert. Dies bietet zwei Vorteile: Zum einen kann das so entstehende große Gefälle eine höhere potenzielle Energie des Wassers und damit eine höhere Stromausbeute erzeugen. Zum anderen kann das Wasser für spätere Zeiten gespeichert werden. So kann in Situationen mit sehr hohem Energiebedarf zusätzlicher Strom in das Netz eingespeist werden.

Pumpspeicherkraftwerk

Bei diesem Kraftwerkstyp sind das Zulauf- und das Ablaufbecken miteinander durch elektrische Pumpen verbunden. Wird das Wasser nun unter Energieaufwand nach oben in das Zulauf-/ bzw. Speicherbecken zurückgepumpt, kann es zu späterer Zeit wieder durch die Turbine gelassen und erneut Energie erzeugt werden. Unter Inkaufnahme eines gewissen Energieverlusts beim Hinauf pumpen kann also ein großer Teil Energie für später gespeichert werden. Dies kann etwa von Vorteil sein, wenn Windanlagen große Mengen Strom erzeugen. Wird dieser nicht benötigt, kann er ohne große Akkumulatoren (Batterien) in ausreichender Menge gespeichert werden.

 

Wasserkraftwerke in Deutschland

Die Zahl der Wasserkraftwerke ist in den vergangenen Jahren recht konstant geblieben, jedoch kam es hier zu umfangreichen Modernisierungen und Zusammenlegungen von Großanlagen. Die weitaus meisten Anlagentypen in Deutschland sind solche der Klasse der Laufwasserkraftwerke, von denen 95 Prozent sogenannte Kleinstkraftwerke mit Leistungen von unter einem Megawatt sind. Derzeit gibt es zudem 31 große Pumpspeicherkraftwerke.

Wie viele Wasserkraftwerke gibt es in Deutschland in 2022?

Derzeit (Stand: 2020) gibt etwa 7300 in Deutschland mit einer Gesamtleistung von 5600 MW. In den vergangenen Jahren leisteten die Wasserkraftanlagen etwa 20 Terawattstunden Energie jährlich, dies bedeutet einen Anteil von 4 Prozent am gesamten Energiebedarf. Die weitaus meisten Kraftwerke finden sich dabei geografisch bedingt in den südlichen Bundesländern:

Wasserkraftwerke in den Bundesländern
Bundesland Anzahl der Kraftwerke
Baden-Württemberg 1576
Bayern 3493
Berlin 0
Brandenburg 39
Bremen 1
Hamburg 1
Hessen 499
Mecklenburg-Vorpommern 26
Niedersachsen 247
Nordrhein-Westfalen 416
Rheinland-Pfalz 202
Saarland 26
Sachsen 334
Sachsen-Anhalt 58
Schleswig-Holstein 23
Thüringen 205

Wie viel Strom liefern alle Wasserkraftwerke in Deutschland zusammen?

Alle Wasserkraftanlagen in Deutschland zusammengenommen erzeugen eine Leistung von etwa 5600 MW, bei einer Gesamtjahresproduktion von durchschnittlich 20 Terawattstunden (TWh). Langfristig wird eine Jahresproduktion für Strom aus Wasserkraft von 30 Terawattstunden angestrebt. Viele Experten sehen im dicht besiedelten deutschen Gebiet darüber hinaus nur noch wenig Ausbaupotenziale.

Wie hoch ist der Anteil der Wasserkraft in Deutschland?

In den 7300 deutschen Wasserkraftwerken werden derzeit etwa 20 Terawattstunden im Jahr produziert, das entspricht einem Anteil von 4,4 Prozent. Waren im Jahre 1990 noch 3982 Megawatt (MW) Leistungsabgabe über die Wasserkraft möglich, ist dieser Wert heute auf etwa 5600 MW gestiegen. Durch den höheren Strombedarf ist der Anteil der Wasserkraftwerke Deutschland an der Gesamtenergieerzeugung jedoch sogar leicht gesunken. Zum Vergleich: Die weltweit in Wasserkraftwerken installierte Leistung beträgt derzeit 1360 Gigawatt.

Wie hoch ist der Anteil der Wasserkraft weltweit?

Auf der ganzen Welt werden heute 16 % der Energie (4297 Terawattstunden) über Wasserkraft gewonnen. Spitzenreiter ist dabei China, das jährlich allein 1269 TWh erzeugt (17 % seines Gesamtenergiebedarfs). Innerhalb der EU-Staaten werden insgesamt 380 TWh über Wasserkraft erzeugt, was immerhin noch 13 % am Anteil der Stromproduktion bedeutet. Deutschland liegt hier mit durchschnittlich 20 Terawattstunden und 4,4 % Anteil weltweit auf Platz 29.

Anteil der Wasserkraftwerke weltweit
Staat Wasserkraft pro Jahr
China 1269 TWh
Brasilien 400 TWh
Kanada 382 TWh
USA 272 TWh
Russland 194 TWh
Schweden 79 TWh
Deutschland 20 TWh

Quelle: Statistical Review of World Energy 2020, British Petroleum

Wo befinden sich Wasserkraftwerke in Deutschland?

Wasserkraftanlagen finden sich nahezu im gesamten Bundesgebiet, vor allem in den südlichen Ländern Bayern und Baden-Württemberg: Hier stehen gut 80 Prozent aller Kraftwerke. Weitere Zentren der Wasserkraft sind Hessen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen. Schlusslicht ist Berlin, hier findet sich kein einziges Kraftwerk mit nennenswerter Leistung.

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Was sind die Vor- und Nachteile von Wasserkraftwerken?

Beim Betrieb von Wasserkraftanlagen fallen so gut wie keine klimaschädlichen CO₂-Emissionen an. Zudem sind die Bewegungskraft des Wassers und die potenzielle Energie von Gefällelagen an Talsperren eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Dem stehen jedoch auch einige Nachteile der Technologie gegenüber: So warnt das Bundesamt für Naturschutz vor den zunehmenden Umweltfolgen für die heimische Flora und Fauna. Doch was genau haben Wasserkraftwerke für Vor und Nachteile?

Welche Vorteile haben Wasserkraftwerke?

  • Es werden keine fossilen Energieträger wie Erdöl oder Erdgas verbrannt
  • Wasser ist ein regenerativer Rohstoff und nahezu unbegrenzt verfügbar
  • Ein gewisser Hochwasserschutz für Anlieger und Unterlieger durch Stauseen
  • Speicher können als Trinkwasserreservoir dienen
  • Pumpspeicherkraftwerke können große Mengen Energie speichern, etwa von entfernten Windkraftanlagen
  • Deutlich weniger CO₂-Ausstoß als bei klassischen Energieträgern

Welche Nachteile haben Wasserkraftwerke?

  • Im Wasser lebende Tiere werden durch die Anlagen behindert oder verenden in den Turbinen
  • Der Gewässerhaushalt und das ökologische Gleichgewicht werden beeinträchtigt und
  • Überflutung großer Gebiete bei der Anlage von Speicherkraftwerken
  • Die natürliche Fließgeschwindigkeit des Wasser wird messbar verringert
  • Beeinträchtigung des Grundwasserspiegels bei Pumpspeicherkraftwerken

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FAQ

Wie funktioniert das Wasserkraftwerk?

Eine Wasserkraftanlage nutzt die Bewegungsenergie fließenden Wassers. Dabei werden die Wassermassen über eine Turbine geleitet, welche die Strömungsenergie in eine mechanische Drehbewegung umwandelt. Ein mit der Turbinenwelle verbundener Generator erzeugt daraus elektrische Energie.

Wie viel kostet ein Wasserkraftwerk?

Eine Kilowattstunde installierter Leistung kostet etwa 8718 Euro bei Kleinstkraftanlagen mit einer Leistung von unter einem Megawatt. Bei der Errichtung von Großanlagen reduzieren sich die relativen Kosten, so kostete das Laufwasserkraftwerk Rheinfelden 380 Millionen Euro bei einer Dauerleistung von 100 Megawatt (MW).

Was gibt es alles für Wasserkraftwerke?

Im Allgemeinen gibt es Laufwasserkraftwerke und Speicherkraftwerke. Zu den Laufwasserkraftwerken gehören Flusskraftwerke, Gezeiten-, Wellen- und Meeresströmungskraftwerke. Sie nutzen die kinetische Energie von natürlichen oder durch Wehranlagen verstärkten Wasserströmungen. Speicherkraftwerke halten große Mengen Wasser in Talsperren oder Staudämmen zurück und nutzen das dabei entstehende große Gefälle. Wird zusätzlich in Niedriglastzeiten Wasser durch elektrische Pumpen in das obere Speicherbecken unter Energieaufwand zurückgeleitet, handelt es sich um Pumpspeicherkraftwerke.

Wie viel Strom erzeugt ein Wasserkraftwerk?

Die größte Wasserkraftanlage in Deutschland ist das Pumpspeicherwerk Goldisthal mit einer Leistung von 1060 Megawatt (MW). Dagegen sind 95 Prozent der Anlagen im Bundesgebiet sogenannte Kleinstwasserkraftwerke mit einer installierten Leistung von unter 1 MW.
 

Aktualisiert am 2 Dez, 2022

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anh

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