1. Für jeden Zweck das passende Wasserkraftwerk

Laufwasserkraftwerke sind Wasserkraftwerke an Fließgewässern, bei denen die zufließende und abfließende Wassermenge im Regelbetrieb stets gleich sind. Sie wandeln dabei die potentielle Energie („Energie der Lage“) aufgrund des Höhenunterschieds zwischen Zu- und Abfluss in elektrische Energie um. Bei Laufwasserkraftwerken wird zur effizienteren Nutzung des Wasserdargebots auch bei Schwankungen im Verbrauch oder im Zufluss kein Wasser gespeichert. Eine Ausnahme hierzu bilden schwellbetriebsfähige Wasserkraftwerke, bei dem in Zeiten höherer Nachfrage mehr Wasser über die Turbinen abfließt als zufließt, da sie über einen größeren und damit regelbaren Stauraum verfügen.

Aufgrund des geringen Gefälles werden bei Laufwasserkraftwerken meist Kaplanturbinen eingesetzt. Die Fallhöhe und die Wassermenge bestimmen, wieviel Strom erzeugt werden kann.

Vorteile von Laufwasserkraftwerken sind:

• Erneuerbare und regionale Ressource
• Konstante und zuverlässige Stromerzeugung für die Grundlast – rund um die Uhr
• Hochwasserschutz (durch Reduktion hoher Fließgeschwindigkeit wird die Zerstörungskraft des Wassers gemildert. Auch können Hochwasserspitzen abgemildert werden.)

Speicherkraftwerke sind Wasserkraftwerke mit Stauseen im Gebirge, die bei Bedarf innerhalb weniger Minuten in Betrieb genommen werden können. Dabei wird durch Talsperren Wasser aufgestaut und in Seen gespeichert. Von hier aus wird das Wasser über Druckleitungen den Turbinen der deutlich tiefer gelegenen Krafthäuser zugeführt. Aufgrund der großen Fallhöhen kommen Francis- und Peltonturbinen zum Einsatz. Diese Kraftwerksart ist in der Regel nicht für den Dauerbetrieb gedacht, sondern wird vor allem bei erhöhtem Strombedarf in Betrieb genommen – daher nennt man Speicherkraftwerke auch “Spitzenlastkraftwerke”. Der Strom dieser Kraftwerke kann bedarfsgerecht in der nachgefragten Menge produziert werden.

Vorteile von Speicherkraftwerken sind:

• exakte und bedarfsgerechte Abdeckung von Nachfragespitzen
• sehr rasch möglicher Einsatz ohne lange Vorlaufzeiten
• Hochwasserschutz (Rückhalt von Hochwasserspitzen in den Speicherseen)
• teilweise Nutzung für Trinkwasserspeicherung oder sogar zur Erzeugung von künstlichem Schnee

Pumpspeicherkraftwerke dienen der Speicherung von elektrischer Energie durch Hinaufpumpen von Wasser in höher gelegene Speicherseen in Zeiten geringer Nachfrage bzw. einem übergroßen Stromangebot. In Zeiten erhöhter Nachfrage hingegen lässt man dieses Wasser über Druckrohrleitungen wieder zu den Turbinen fließen und erzeugt mithilfe von Generatoren erneut Strom. In der Praxis erreichen solche Kraftwerke einen Gesamt-Wirkungsgrad von über 80 Prozent. Sie sind damit und aufgrund ihrer hohen Kapazität die beste Technologie für das Speichern von Strom im großen Maßstab.

Vorteile von Pumpspeicherkraftwerken sind:

• Speicherung von elektrischer Energie
• hohe Flexibilität, die es hervorragend ermöglicht, hohe Bedarfsschwankungen auszugleichen, insbesondere jene durch die schwankende Einspeisung aus Wind und Sonne
• sehr kurzfristig möglicher Einsatz ohne lange Vorlaufzeiten
• Regelbarkeit (die Menge des produzierten Stromes ist durch die Regelung des Wasserstroms steuerbar)
• Schwarzstartfähigkeit bei Netzausfall für den Wiederaufbau des Stromnetzes

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Gleichdruckturbinen und Überdruckturbinen. Gleichdruckturbinen sind die Pelton-Turbine und die Durchströmturbine (Vorteil: Einfachheit der Konstruktion). Überdruckturbinen sind hingegen die Francis-Turbine (sie ist der meistverwendete Turbinentyp unter den Wasserturbinen) und die Kaplan-Turbine (sie ist prädestiniert für große Flusskraftwerke).

Sie kommt bei mittleren Fallhöhen zwischen 20 und 700 m bei nicht zu stark schwankenden Wassermengen zum Einsatz. Das Wasser wird durch Leitschaufeln und den Leitapparat auf die gegenläufig gekrümmten, feststehenden Schaufeln des Laufrades gelenkt. Der spiralförmige Einlauf hat die Form eines Schneckenhauses.

Sie ähnelt mit ihren verstellbaren Schaufeln einem Schiffspropeller. Es lassen sich sowohl die Schaufeln des Laufrades wie auch die des Leitapparates (Schließmechanismus) verstellen. Dadurch kann auf Schwankungen in der Wasserzufuhr optimal reagiert werden. Dieser Turbinentyp ist ideal geeignet für Wasserkraftwerke mit großem Durchfluss und relativ geringer Fallhöhe bis zu 50 m.

Sie hat sich vor allem bei großen Fallhöhen zwischen 140 und 1.500 m bei kleinen Wassermengen bewährt. Es wird ausschließlich die Bewegungsenergie des Wassers genutzt. Aus Düsen trifft das Wasser unter hohem Druck auf becherförmige Schaufeln des Laufrades. Die Pelton-Turbine wird vorzugsweise in Speicherkraftwerken eingesetzt.

Die verschiedenen Turbinentypen haben verschiedene Wirkungsgrade:

• Kaplan-Turbine: Wirkungsgrad bis 95 Prozent (Laufwasserkraftwerke)
• Francis-Turbine: Wirkungsgrad bis ca. 95 Prozent (universell einsatzfähig)
• Pelton-Turbine: Wirkungsgrad bis 92 Prozent (Speicherkraftwerke)
• Durchströmturbine: Wirkungsgrad von ca. 85 Prozent (kleinere Flusskraftwerke)

Der Wirkungsgrad einer Turbine variiert je nach Typ, Betriebspunkt und Alter. Die „Fallhöhe“, die für den Wirkungsgrad entscheidend ist, entspricht der Höhe zwischen Ober- und Unterwasser, wobei die Verluste durch die Reibung des Wassers in den Rohrleitungen zu berücksichtigen sind. Insgesamt liegen die bei der Wasserkraft zu erreichenden Wirkungsgrade aber weit über den Wirkungsgraden von Photovoltaikanlagen (bei besten Bedingungen rund 25 Prozent), von Windkraftanlagen (die derzeit besten erreichen 50 Prozent) oder von thermischen Anlagen der modernsten Generation (rund 60 Prozent)

Haupteinsatzbereich der verschiedenen Wasserturbinentypen. Wassermenge (Q) zu Fallhöhe (H). Quelle: http://www.energie.ch/wasserturbinen