Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Seit jeher machen Menschen sich die Kraft des Wassers zunutze. Die ehemaligen Wassermühlen sind heute jedoch modernen Wasserkraftwerken gewichen. Diese sorgen für grünen Strom in unserem Alltag: Zuhause, im Büro und an öffentlichen Plätzen. Wie solche Kraftwerke funktionieren, welche Arten es gibt und warum Wasserkraft eine wichtige erneuerbare Energiequelle ist, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Was ist Wasserkraft?

Wasserkraft, auch Hydroenergie genannt, bezeichnet die Umwandlung mechanischer Energie des Wassers in elektrische Energie, sprich Strom. Was bedeutet das genau? 
Durch den Einsatz von Turbinen wird die kinetische Energie (Bewegungsenergie) von fließendem Wasser sowie die potenzielle Energie (Lageenergie) von gestautem Wasser in nutzbare Energie umgewandelt.

Das Wasserkraftwerk: Funktion & Aufbau

Und so funktioniert’s: Um aus Wasser Strom zu erzeugen, werden Turbinen eingesetzt. Diese sind in ihrer Bauform an das jeweilige Einsatzgebiet angepasst und befinden sich im Inneren des Wasserkraftwerks. Durch die Kraft des Wassers wird die Turbine in Bewegung gesetzt und beginnt sich zu drehen. Diese Rotationsenergie wird weiter an einen Generator übertragen, der sie in elektrische Energie umwandelt.

Je nachdem, wie groß das Kraftwerk ist, können die Turbinen mehrere Meter Durchmesser haben. Die Generatoren erreichen in besonders großen Kraftwerken sogar die Größe eines LKWs.

Wie kommt nun der Strom aus der Erzeugungsanlage in unsere Steckdosen?

Zum Aufbau eines Wasserkraftwerks gehört in der Regel auch die Angliederung an ein Umspannwerk. So kann die gewonnene Energie in die entsprechenden Hochspannungsstromnetze eingespeist werden und findet anschließend ihren Weg zum Verbraucher.

Welche Arten von Wasserkraftwerken gibt es?

Wasserkraftwerke können je nach Anlagetyp in verschiedene Arten unterteilt werden. Dabei geht es um die Frage, auf welche Weise die mechanische Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies kann auf natürlichem Weg oder auf künstliche Weise geschehen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Laufwasserkraftwerk und Speicherkraftwerk.

Auch anhand der Fallhöhe des Wassers, also dem Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser, lassen sich Kraftwerke in unterschiedlich Typen einteilen. Dabei gilt: Je höher das Gefälle, desto mehr Druck hat das Wasser. Folgende Arten gibt es:

• Niederdruckkraftwerk: bei einer Fallhöhe bis etwa 25 Meter 
• Mitteldruckkraftwerk: wenn das Gefälle bis zu 100 Meter beträgt
• Hochdruckkraftwerk: ab einer Fallhöhe von 100 Meter 

Laufwasserkraftwerk

Laufwasserkraftwerke befinden sich – der Name verrät es vielleicht schon – in der Regel in einem Fließgewässer. Die Fallhöhe ist dabei meist eher gering. Laufwasserkraftwerke beziehen ihren Strom aus der kinetischen Energie des strömenden Flusswassers. Dieses fließt direkt in das Kraftwerk über die Schaufeln einer Turbine. Der damit verbundene Generator wandelt die Rotationsbewegung anschließend in elektrische Energie um.

Für Laufwasserkraftwerke werden meist sogenannte Kaplanturbinen verwendet. Diese sind für weniger ausgeprägte Gefälle und große Wassermengen konzipiert. 

Wasserkraftwerke dieser Art werden zur Deckung der Grundlast verwendet. Da das Flusswasser permanent durch das Kraftwerk fließt, produzieren sie rund um die Uhr dieselbe Menge an Strom. Der große Nachteil: Laufwasserwerke sind den natürlichen Schwankungen eines Flusses unterworfen, der nie das ganze Jahr über dieselbe Wassermenge bringt. Hoch- oder Niedrigwasser können daher zu verminderter Leistung führen. Solche Schwankungen sind allerdings meist gut vorhersehbar.

Speicherkraftwerke

Speicherkraftwerke beziehen ihren Strom – im Gegensatz zu Laufwasserkraftwerken – aus der potenziellen Energie des Wassers. Dazu wird das Wasser zuerst in einem höhergelegenen Speicherbecken gesammelt. Dieses ist oftmals künstlich angelegt, zum Beispiel in Form eines Stausees. Die Fallhöhe des Wassers spielt hier eine wesentliche Rolle und kann mehrere hundert Meter bis über 1.000 Meter betragen. 

Über Rohrleitungen oder Stollen wird das Wasser zu den Turbinen geleitet, welche die Stromgeneratoren antreiben. Je nach Fallhöhe kommen hier für große Fallhöhen Peltonturbinen oder für mittlere Fallhöhen Francisturbinen zum Einsatz. 

Speicherkraftwerke sind für den Dauerbetrieb zu schade, und werden daher bei erhöhtem Strombedarf, und damit bei höheren Strompreisen, eingesetzt. Durch das Speicherbecken ist der Wasserdurchfluss gut regulierbar. Das hohe Gefälle sorgt dafür, dass das Wasser mit starkem Druck in die Turbinen fließt. Speicherkraftwerke dienen somit zur Deckung der Spitzenlast im Stromnetzwerk.

Was bedeutet das? Speicherkraftwerke kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn der Energiebedarf kurzfristig steigt. Beispielsweise nach Feierabend, wenn viele Leute zur gleichen Zeit am Elektroherd stehen oder es sich vor dem Fernseher gemütlich machen. Aber auch bei unvorhergesehenem Leistungsanstieg – wie dem Ausfall eines anderen Kraftwerks – dienen Speicherkraftwerke als schnell einsetzbare Reserve. 

Weitere spezielle Arten von Wasserkraftwerken

Neben der allgemeinen Einteilung in Laufwasserkraftwerk und Speicherkraftwerk gibt es auch noch weitere spezielle Arten von Wasserkraftwerken. Hier werden die wichtigsten kurz vorgestellt: 

• Pumpspeicherkraftwerk

Diese Art des Wasserkraftwerks funktioniert nach demselben Prinzip wie ein Speicherkraftwerk. Mit einem Unterschied: Pumpspeicherkraftwerke können das Wasser, nachdem es vom Stausee durch die Turbinen geflossen ist, bei Bedarf wieder hochpumpen. So wird das Speicherbecken wieder befüllt und das Wasser kann erneut zur Stromgewinnung verwendet werden.

Um das Unterwasser hochpumpen zu können, wird überschüssig produzierte Elektroenergie aus Zeiten von geringem Strombedarf (z.B. nachts) verwendet. Pumpspeicherkraftwerke dienen – genau wie Speicherkraftwerke – zur Deckung des Strombedarfs in Spitzenbelastungszeiten.

• Gezeitenkraftwerk

Gezeitenkraftwerke funktionieren ähnlich wie Laufwasserkraftwerke. Sie werden in Form eines Dammes an Meeresbuchten errichtet. Solche Kraftwerke machen sich die wechselnde Bewegung der Gezeiten zunutze. Bei Flut drehen die Turbinen in eine Richtung, bei Ebbe in die andere Richtung.

Voraussetzung für die Leistungsstärke eines Gezeitenkraftwerkes ist ein ausreichender Tidenhub, also der Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut, von mindestens ca. 6 Metern. 

• Wellenkraftwerk

Diese Wasserkraftwerke sind eine relative junge Erfindung. Alle bisher bestehenden Wellenkraftwerke befinden sich noch in der Erprobungsphase. Wie ihr Name schon verrät, machen sie sich die Wasserkraft der strömenden Meereswellen zunutze. 

Dazu gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Eine Variante ist das Leiten der Wellen in eine Betonkammer. Durch die komprimierte Luft werden Turbinen angetrieben, welche den Stromgenerator in Bewegung setzen. Bei einem anderen Verfahren werden die Wellen auf eine Rampe geleitet. Von dort fließt das Wasser über Turbinen, welche den Generator antreiben, wieder zurück ins Meer.

Wasserkraftwerke und ihr Wirkungsgrad

Wasserkraft zählt heute zu den wichtigsten erneuerbaren Energiequellen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei ca. 90 Prozent. Das bedeutet: Beim Prozess der Energiegewinnung wird bis zu 90 Prozent der Wasserenergie in Strom umgewandelt. Wasserkraftwerke sind somit eine sehr effiziente Art der Stromerzeugung.

Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad von Windkraftanalagen liegt bei etwa 45 Prozent. Photovoltaikanlagen erreichen sogar nur einen Wirkungsgrad von durchschnittlich 25 Prozent.  Unter den erneuerbaren Energiequellen hat Wasserkraft also deutlich die Nase vorn.

Aber auch fossile Energieträger können mit der Leistung von Wasserkraftwerken nicht mithalten. Ein Kohlekraftwerk erreicht beispielsweise nur einen Wirkungsgrad von maximal 45 Prozent.

Wie viel Strom ein Wasserkraftwerk tatsächlich erzeugt, hängt von drei Faktoren ab:

• Wasserdurchfluss: Je mehr Wasser durch die Turbinen fließt, desto mehr Strom kann erzeugt werden. 
• Höhe des Gefälles: Je größer die Fallhöhe, desto mehr Druck hat das Wasser.
• Turbinen und Generatoren: Je effizienter diese arbeiten, desto mehr Wasserenergie kann umgewandelt werden.

Für eine Kilowattstunde Strom bedarf es 4,2m³ Wasser über eine Fallhöhe von 100m oder anders ausgedrückt, ein Wasserfluss von 1,5 Liter in der Sekunde über 1 Stunde bei einer Fallhöhe von 100m erzeugt 1 kWh Strom. 

Die Vor- und Nachteile von Wasserkraft

Wasserkraftwerke und Nachhaltigkeit

Wasserkraft zählt zu den erneuerbaren Energiequellen. Wasser ist folglich ein Rohstoff, der sich aus natürlichen Vorgängen in der Natur speist. Bei der Stromerzeugung wird dieser Rohstoff – im Gegensatz zu Kohle oder Gas – nicht reduziert. Die Menge an Wasser bleibt erhalten, genauso wie seine Qualität und Sauberkeit. 

Wie bereits erwähnt, haben Wasserkraftwerke aber auch einen Nachteil: Sie stellen einen Eingriff in den natürlichen Lauf eines Gewässers dar und können dessen Ökosystem beeinträchtigen. Lösungsansätze dafür sind z.B. Fischtreppen für die Wanderung der Organismen oder verbesserte Turbinen, die den Flussbewohnern ein verletzungsfreies Passieren ermöglichen. 

Werden beim Bau eines Wasserkraftwerkes auch solche Aspekte berücksichtigt oder nachgerüstet, handelt es sich um eine besonders umweltfreundliche Art der Stromgewinnung und somit um Ökostrom, wie wir von der IKB ihn mögen.  
 

Auf einen Blick: Wasserkraftwerke in Österreich 

Wie viele Wasserkraftwerke gibt es in Österreich?

Österreich verfügt über mehr als 14.000 Wasserkraftwerke. Dazu zählen Speicherkraftwerke sowie Laufwasserkraftwerke. Die Stromerzeugung mit Wasserkraft ist eine zentrale Säule in Österreichs Energieversorgung. 

Insgesamt 960 Wasserkraftanlagen fallen  dabei auf das Land Tirol. 

Wo befinden sich die Wasserkraftwerke in Österreich?

Die Wasserkraftwerke befinden sich über das ganze Land verteilt. Bei Österreichs Energie finden Sie eine Karte mit allen Wasserkraftwerken in Österreich. 

In Tirol betreibt die IKB insgesamt 11 Wasserkraftwerke. Dabei handelt es sich um zwei große Kraftwerke und neun Kleinwasserkraftwerke:

• Kraftwerk Untere Sill
• Hauptkraftwerk Obere Sill und Zwischenkraftwerk
• Kraftwerk Ruetz
• Ökostrom-Kraftwerk Mühlen
• Trinkwasser-Kraftwerk Mühlau 1
• Kraftwerk Naturstrom Mühlau (als eigene Gesellschaft – gemeinsam mit der Rauchmühle)
• Kraftwerk Mühlau 2
• Ökostrom-Kraftwerk Mühlau 3
• Ökostrom-Trinkwasser-Kraftwerk Schreyerbach
• Ökostrom-Trinkwasser-Kraftwerk Rauschbrunnen

Hier erfahren Sie mehr über die Wasserkraftwerke der IKB.

Wie viel Strom wird in Österreich mit Wasserkraft erzeugt?

Mit einem Anteil von bis zu 60 Prozent ist Wasserkraft die bedeutendste Quelle für die Stromerzeugung in Österreich. Im Jahr 2019 wurden circa 44.187 Gigawattstunden  Strom durch heimische Wasserkraftwerke produziert.

Die IKB erzeugt in ihren Wasserkraftwerken im Durchschnitt  320 Mio. Kilowattstunden Strom und deckt damit ca. die Hälfte des Jahresstrombedarfs in Innsbruck.