Regenerative Energien, Teil 3

Wasserkraft

Wasserkraftanlagen gehören zu den regenerativen Energiequellen. Sie beruhen auf der indirekten Nutzung von Sonnenenergie, die als Antrieb der Luftmassenbewegung dient  und dadurch den natürlichen Wasserkreislauf unterhält. Dieser entsteht, wenn Wasser durch Sonnenbestrahlung verdunstet und in Gestalt von Wolken aufsteigt. Die Wolken werden vom Wind versetzt und entleeren ihre Wasserfracht  bei Abkühlung durch Kondensation in Form von Regen (Niederschlag). Geschieht dies über dem Festland, sammelt sich das Niederschlagswasser in Bächen und Flüssen und fließt in tiefer gelegene Regionen, um erneut zu verdunsten (Bild 1).

Einem derartig geschlossenen Wasserkreislauf kann man die dem Wasser in Seen und Flüssen enthaltene potentielle oder kinetische Energie entziehen und sie in die gewünschte Nutzenergieform umwandeln. In der vorelektrischen Zeit waren dies ausschließlich mechanische Anwendungen wie Getreide-, Walk- und Papiermühlen, Hammer- und Pochwerke, Sägegatter, Pumpen usw. Letztlich ließ sich so Muskelkraft durch Sonnenenergie ersetzen, die auf Wasserkraft basiert.

Die Anfänge – Schöpfrad und Archimedische Schraube

Der Antrieb von technischen Vorrichtungen wie Schöpfrädern, Mühlsteinen, Winden usw. war mit der Muskelkraft von Tieren und Menschen üblich, bevor dazu die Wasserkraft genutzt wurde. Bereits vor 5000 Jahren wurden in China und Mesopotamien erste Schöpfräder zur landwirtschaftlichen Bewässerung betrieben. In babylonischen Gesetzestexten finden Schöpfräder Erwähnung, die unter staatlichen Schutz gestellt waren. An den durch Tiere oder Menschen angetriebenen Schöpfrädern waren Tongefäße angebracht, die sich beim Durchgang durch einen Fluss, Kanal oder Brunnen mit Wasser füllten, durch die Drehung des Rads angehoben und im Gipfelpunkt in ein höher gelegenes Bewässerungssystem entleert wurden. Der Antrieb erfolgte durch Göpel- oder Treträder (Bild 2).

Beim Göpelrad wird eine waagrechte, am Außenrand „gezahnte“ Scheibe mit vertikaler Achse von einem umlaufenden Esel oder Ochsen in eine Drehbewegung versetzt, die man durch Stirn- und Kegelräder in Drehzahl und Orientierung an den Verwendungszweck anpasste. Das Tretrad wurde als Trommel mit horizontaler Achse ausgeführt. Angetrieben wurde es, indem in seinem hohlen Inneren Mensch oder Tier durch das stetige Laufen Muskelkraft freisetzten.

Die Weiterentwicklung zu einem Wasserrad, das durch kinetische Energie des fließenden Wassers angetrieben wurde, erwähnte erstmals der griechische Ingenieur Philon von Byzanz um das Jahr 200 v. Chr. schriftlich. Der römische Architekt und Ingenieur Vitruv (ca. 80-15 v. Chr.) schrieb: „Man macht in Flüssen Schöpfräder auf dieselbe Weise. (Anmerkung: d. h. als Treträder). „Nur befestigt man außen an den Schöpfrädern Schaufeln, welche von dem Andrange des Wassers, durch ihr Vorwärtsgehen die Räder zwingen, sich zu drehen und so in dem Kästchen das Wasser schöpfend und nach oben bringend, leisten sie ohne die Arbeit des Tretens, durch die Strömung des Flusses selbst umgedreht, die nötigen Dienste. Auf dieselbe Weise werden auch die Wassermühlen getrieben.“ (Quelle: Dr. Albert Neuburger: „Die Technik des Altertums“, erschienen 1919 in R. Voigtländer`s Verlag, Leipzig).

An dieser Stelle sei bemerkt, dass Vitruv auch unterschlächtige Wasserräder beschrieb, die über ein Getriebe den Mühlstein einer Getreidemühle in Bewegung setzten (Bild 3). Franz von Reber (1834-1919), Professor der Archäologie in München, Übersetzer und Interpret zahlreicher Werke von Vitruv, beschrieb die Abbildung so: „Auf dieselbe Weise (Anmerkung: d. h. durch das unterschlächtige Wasserrad) werden auch die Wassermühlen betrieben, bei welchen sonst alles dasselbe ist mit Ausnahme des Umstandes, daß an einem Ende der Welle ein Zahnrad (a) läuft. Dieses aber ist senkrecht gestellt und dreht sich gleichmäßig mit dem Schaufelrad in derselben Richtung: in dieses eingreifend ist ein zweites kleineres Zahnrad (b) angebracht, welches in einer Welle (c) läuft, die am oberen Ende einen eisernen Doppelschwalbenschwanz (e) hat, welcher in den Mühlstein eingekeilt ist. So zwingen die Zähne jenes an die Welle (des Schaufelrades) angefügten Zahnrades dadurch, dass sie, in die Zähne des waagrechten Zahnrades eingreifend, dieses treiben, die Mühlsteine (d) zur Umdrehung; die über dieser Maschine hängende Gosse (f) gibt den Mühlsteinen immer Getreide zu, und durch dieselbe Umdrehung wird das Mehl gemahlen.“
Welch exakte, über 2000 Jahre alte Funktionsbeschreibung!

Bis heute sind Schöpfräder der von Vitruv beschriebenen Art noch im Einsatz.  Bild 4 zeigt zwei davon bei der bayrischen Gemeinde Möhrendorf an der Regnitz.  Ein Wasserrad versorgte ein ausgedehntes Bewässerungsnetz. Es schöpfte pro Tag etwa 1400 m³ Wasser und wässerte damit bis zu 8 ha Wiesen. Dadurch wurde es möglich, statt nur einer Mahd (Ernte) im Jahr drei Mahden von Heu und Grummet einzubringen.

Eine der ältesten Förderanlagen zum Heben von Wasser ist die Archimedische Schraube, auch als Schrauben- oder Schneckenpumpe bezeichnet (Bild 5). Sie ist nach ihrem Erfinder Archimedes von Syrakus (287-212 v. Chr.) benannt und dient bis heute zur Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen. Ihr entscheidendes Bauteil ist ein drehbares schraubenförmiges Element (Schnecke), das in einem Zylinder oder Trog um seine Mittelachse eingepasst ist. Um Wasser von einem niedrigen auf ein höheres Niveau zu heben, wird die Schnecke in das zu hebende Wasser eingetaucht und gedreht. Zylinder bzw. Trog und Schnecke bilden Kammern, deren Wasserfüllungen sich nach oben „schrauben“. Am Ende der Schnecke löst sich unter ihrem Auslaufen die dort befindliche Schneckenkammer auf und am Anfang der Schnecke bildet sich eine neue Kammer.

Das Prinzip der Archimedischen Schraube kommt heute auch in modernen Schneckenförderern für Weizen und Schüttgüter zum Einsatz. Mit der Bauform „Schnecke in Zylinder“ ist bei entsprechend hohen Drehzahlen der Schnecke sogar die senkrechte Förderung des Schüttguts möglich.

Unterschlächtige Wasserräder

Die ersten Wasserräder hatten brettartige Schaufeln, die quer zur Fließrichtung ins Wasser eintauchen. Vom Wasserstrom angestoßen, bewegen sie sich in Strömungsrichtung, bis sie aus dem Wasser auftauchen und dafür die nächste Schaufel eintaucht. Weil die kinetische Energie des Wassers an der Unterseite des Wasserrads angreift und an den Schaufeln eine Impulsübertragung stattfindet, gehört solch ein Wasserrad zur Klasse der unterschlächtigen Wasserräder und wird als Stoß-Wasserrad bezeichnet (Bild 6).

Ein schönes Beispiel für ein solches Stoßrad findet man am rechten Ufer des Rheinfalls beim schweizerischen Rheinfelden (Bild 7). Es ist augenscheinlich, dass dieser Wasserradtyp für einen oberschlächtigen Antrieb ungeeignet ist. Das dabei auf die Oberseite des Rads fließende Wasser müsste anstatt auf reine Bretter auf seitlich geschlossene Zellen auftreffen, in denen sich das zugeführte Wasser sammeln kann, um über sein Gewicht das Rad in Drehung zu versetzen.

Der Widerstand, den reine Bretter als Schaufeln dem zulaufenden Wasser an der Unterseite des Rads entgegensetzen, lässt sich durch deren Krümmung erhöhen (Bild 8). Das Ziel ist, dem strömenden Wasser möglichst viel seiner kinetischen Energie zu entnehmen. Das gelingt, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Wasserrads ein Drittel der Strömungsgeschwindigkeit ist. Dies vorausgesetzt und ein möglichst großer cw-Wert (Strömungswiderstandskoeffizient) der Schaufeln von 1,3 angenommen, lassen sich dennoch nur maximal 19 Prozent der Energie des unter dem Rad durchströmenden Wassers in Rotationsenergie wandeln.

Mittelschlächtige Wasserräder

Mittelschlächtige Wasserräder können als Schaufelrad oder als Zellenrad gebaut werden. Bei ihnen trifft das Wasser auf Nabenhöhe oder etwas darüber auf die Schaufeln oder Zellen (Bild 9). Dabei nutzen mittelschlächtige Wasserräder sowohl die Strömungskraft als auch die Gewichtskraft des Wassers (also Stoß und Druck), was ihren Wirkungsgrad steigert. Damit sind sie ähnlich wie oberschlächtige Räder gebaut, drehen sich aber in die entgegengesetzte Richtung, weshalb sie auch als rückschlächtig bezeichnet werden.

Der Übergang vom unterschlächtigen Wasserrad zum mittelschlächtigen ist fließend. Der Schweizer Ingenieur Walter Zuppinger (1814-1889) erzielte 1849 mit evolventenförmig gekrümmten Schaufeln, die nicht nur den dynamischen, sondern auch den hydrostatischen Druck des Wassers ausnutzen, eine höhere Ausbeute der Energie des fließenden Wassers. Bei entsprechend hohem Wassereinlauf kann das Zuppingerrad auch zu den mittelschlächtigen Wasserrädern gezählt werden.

Gut dimensionierte mittelschlächtige Wasserräder erreichen Wirkungsgrade um 85 Prozent und kommen in dieser Hinsicht herkömmlichen Turbinen nahe.

Oberschlächtige Wasserräder

Die Schaufeln sind als seitlich geschlossene Kammern gestaltet, in denen möglichst viel Wasser möglichst lange (d. h. bis zu großen Drehwinkeln des Wasserrads) verbleibt und dabei ein durch die Schwerkraft bedingtes Drehmoment auf die Radwelle ausübt. So lassen sich bis zu 80 Prozent der potentiellen Energie des Schaufelwassers in Rotationsenergie der Radwelle überführen. Die kinetische Energie des in die erste Schaufelkammer einströmenden Wassers kann vernachlässigt werden. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis moderner oberschlächtiger Wasserräder macht ihren Einsatz in vielen Szenarien attraktiv (siehe https://wasserrad-drews.de).

Die elektrische Abgabeleistung P_el eines Wasserkraftwerks, das auf einem oberschlächtigen Wasserrad beruht, lässt sich überschlägig so ermitteln (Gleichung 1):

Die mit der Faustformel in Gleichung 1 abgeschätzte elektrische Leistung P_el ergibt sich in Kilowatt. Der Faktor 7,5 fasst Erdbeschleunigung und die Verluste in Wasserbauten, Turbine, Übersetzung und Generator zusammen. Es ergibt sich somit näherungsweise  P_el = 3,75 kW.

Eine genauere Berechnung wäre die in folgender Gleichung 2.

Die in Gleichung 2 berechnete mechanische Leistung von P_mech = 3,924 kW führt bei Verwendung eines Generators mit einem Wirkungsgrad von 95 % zu einer elektrischen Leistung P_el = 3,73 kW. Die Näherung in Gleichung 1 scheint also recht brauchbar zu sein.

Eine typische Anwendung des oberschlächtigen Wasserrads im Bergbau des Mittelalters zeigt Bild 11. Darin wird ein Pochwerk dargestellt, in dem die Erzbrocken zerkleinert werden, um so das Schmelzen zu erleichtern. Das Bild entstammt dem zwölfbändigen Standardwerk der Metalle und des Bergbaus „De re metallica libri XII“ des Renaissance-Gelehrten Georg Bauer (1494-1555) mit dem latinisierten Namen Georgius Agricola, in dem auch viele weitere auf Wasserkraft beruhende Maschinen wie Winden, Pumpen, Blasebälge, etc. beschrieben und abgebildet sind.

Die Komplexität der physikalischen Berechnungen zur Dimensionierung und Regelung einer Kleinwasserkraftanlage mit ober- und unterschlächtigem Wasserrad wird in zwei Vorlesungsvideos von Prof. Andreas Malcherek deutlich (https://www.youtube.com/watch?v=79hTQ87bXm0 und https://www.youtube.com/watch?v=tiKq2wzYQ5g).

Turbinen

Die Weiterentwicklung des Wasserrads in Hinblick auf geringere Abmessungen, Leistungssteigerung, Anpassung an den Einsatzzweck, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz führten im 16. und 17. Jahrhundert zu einer regen Entwicklungsarbeit von Tüftlern und Ingenieuren, die zu den Turbinen heutiger Bauart führte.

1750 konstruierte der Göttinger Physikprofessor Johannes Andreas von Segner (1704‑1777) ein auf dem Rückstoßprinzip beruhendes Wasserrad. 1826 stellte der französische Erfinder Benoît Fourneyron (1802-1867) ein „Wasserrad“ vor, das an mehreren Stellen angetrieben wurde, die Fourneyron-Turbine. Sie kann als erste Überdruckturbine bezeichnet werden und wurde von dem anglo-amerikanischen Ingenieur James B. Francis (1815-1892) zu seiner 1849 vorgestellten Francis-Wasserturbine weiterentwickelt. Der US-amerikanische Erfinder Lester Allan Pelton (1829-1908) ließ sich 1889 seine von ihm entwickelte, auf dem Reaktionsprinzip beruhende Freistrahlturbine patentieren. Die Turbine des österreichischen Ingenieurs Viktor Kaplan (1876-1934) aus dem Jahr 1913 ist eine Weiterentwicklung der Francis-Turbine und verwendet einen Propeller mit verstellbaren Flügeln. Die wesentlichen Eigenschaften der drei letztgenannten Turbinen sind in Bild 12 zusammengefasst.

Die Pelton-Turbine ist geeignet, relativ wenig Wasser aus großen Fallhöhen bis zu 2000 m zu verarbeiten. Das Wasser steht am unteren Ende des Fallrohrs unter hohem statischen Druck (bis 200 bar). Wenn es dann durch eine verstellbare Düse gepresst wird (Bild 13), ist die Geschwindigkeit des austretenden Wasserstrahls sehr hoch (bis 500 km/h).  Als freier Strahl (Freistrahl) wird er tangential auf die Schaufeln des Turbinenlaufrads geleitet, wo er möglichst viel seiner kinetischen Energie nach dem Prinzip „Actio gleich Reactio“ abgibt. Dementsprechend hoch ist die Drehzahl des Laufrads (bis 3000 U/min).

Die Geschwindigkeit des Wassers beim Verlassen der Düse lässt sich durch Gleichsetzen der potentiellen Energie eines Wassermassenelements m auf Höhe des Fallrohreinlasses mit der kinetischen Energie, die diesem Massenelement beim Verlassen der Düse innewohnt, ermitteln. Nach Durchfallen der Fallhöhe h ist die kinetische Energie von m am Düsenausgang gleich der potentiellen Energie vor dem Einlass in das Fallrohr. Daraus lässt sich wegen des Energieerhaltungsssatzes die Austrittsgeschwindigkeit gemäß Gleichung 3 berechnen.

Der Begriff Gleichdruckturbine rührt aus der Tatsache her, dass das Strahlwasser zwischen dem Austritt aus der Turbine und dem Auftreffen auf die Schaufel(n) und danach den gleichen (Umgebungs-)Druck hat. Weil nur eine oder einige wenige der über den Umfang des Turbinenrads verteilten Schaufeln mit Strahlwasser beaufschlagt werden, spricht man auch von einer Teilbeaufschlagung. Im Gegensatz dazu wird die Francis- bzw. die Kaplan-Turbine voll beaufschlagt.

Die Form einer Pelton-Turbinen-Schaufel, auch Tasse genannt, ist markant (Bild 14).  Sie besteht aus zwei aneinander gefügten halbkugelartigen Halbschalen. Der Trennsteg (Schneide) zwischen den Halbschalen teilt den Wasserstrahl und leitet je eine Strahlhälfte in eine der konkav gekrümmten Halbschaufeln. Hier wird er möglichst um 180° umgelenkt zurück zur Düse geschleudert. Mit dieser Formgebung und einer Schaufelgeschwindigkeit, die halb so groß ist wie die des Wasserstrahls (damit das Wasser keine kinetische Energie mehr hat und einfach nur noch herunterfällt) erreicht die Pelton-Turbine ihr Leistungsmaximum.

Zur Steigerung der Turbinenleistung können auch mehrere Düsen auf ein Laufrad wirken. Bei mehr als zwei Düsen wird die Turbinenachse meistens vertikal angeordnet, damit das herunterfallende Wasser die Druckwasserstrahlen nicht stört.

Die Wandlung mechanischer Rotationsenergie in elektrische Energie machte deren Weiterleitung und Nutzung an Orten möglich, die weit entfernt waren von der Stelle der Erzeugung. Zuvor fand die Nutzung der mechanischen Energie von Wasser- oder Windrädern stets dort statt, wo sie gewonnen wurde. Das Hammerwerk lag neben dem Wasserrad am Fluss, die Getreidemühle neben dem Windrad auf dem Hügel.

Zu dieser Zeit versuchte sich bereits eine Vielzahl von Tüftlern wie Ritchie, Clarke und Stöhrer an der Entwicklung stromerzeugender Maschinen, deren Stromausbeute jedoch gering war. Eine umfassende Darstellung der chronologischen Abfolge der mannigfaltigen  Entwicklungsbeiträge ist auf der Homepage des elektrotechnischen Instituts der Universität Karlsruhe (KIT: Karlsruhe Institute of Technology) unter https://www.eti.kit.edu/1390.php zu finden.

Wie aus dem Stand des physikalischen Wissens der Zeit bereits bekannt war, wird in einem durch ein Magnetfeld bewegten elektrischen Leiter eine Spannung induziert. Bei einem schwachen Magnetfeld, wie es Dauermagneten damals nur erzeugen konnten, kamen entsprechend schwache Induktionswirkungen zustande. Daran krankten auch die  technologischen Ansätze für elektromechanische Stromerzeuger mit Dauermagneten. Mit starken Elektromagneten ließ sich die bilanzielle Effizienz der Stromerzeuger zwar steigern, aber es bedurfte eben externer Batterien zur Erregung des weichmagnetischen Magneteisenkerns.

Werner Siemens hatte eine geniale Idee, welche den Stromertrag seiner Maschine in neue Höhen katapultierte: das Prinzip der Dynamomaschine! Er erkannte, dass der Restmagnetismus (= remanenter Magnetismus), der im Weicheisen eines felderzeugenden Elektromagneten im Generator verbleibt, ausreicht, um eine zunächst schwache Spannung im rotierenden Anker beim Anlauf des Generators zu induzieren. Den dadurch bewirkten schwachen Strom nutzte Siemens, um den Restmagnetismus der Weicheisenpolschuhe, in denen sich der Anker dreht, zu verstärken. Diese in Bild 16 dargestellte Selbsterregung führt mit zunehmender Drehzahl des Ankers zu einem maximal möglichen Magnetismus bis zur Sättigungsgrenze des magnetisierten Weicheisens. So konnte sich eine maximale Induktion entfalten. Das war in Verbindung mit dem Energieangebot aus den stetig mechanische Rotationsenergie liefernden Wasserturbinen der Startschuss zum Eintritt in das Zeitalter der Starkstromtechnik mit elektrischem Licht, elektrischen Antrieben, elektrischer Heizung, elektrischen industriellen Prozessen usw. Jetzt war es möglich, Energie vom günstigsten Ort der Erzeugung flexibel an den Ort ihres Bedarfs zu liefern!

In den Kindertagen der Produktion elektrischer Energie wurden Siedlungen und Handwerksbetriebe, die im Umkreis der Erzeugungsstellen lagen, zu Beleuchtungs- und Produktionszwecken mit Gleichstrom versorgt. Doch der schnell ansteigende Bedarf und die Sicherheit der Versorgung machten die Kopplung der Einzelnetze zu größeren Verbundnetzen erforderlich. Dem dienten auch Wasserspeicher in Gestalt von natürlichen und künstlich aufgestauten Bergseen, die zu Zeiten von Bedarfsspitzen angezapft werden konnten. Mit zunehmender Größe der Versorgungsnetze ging man schrittweise auf Wechselstrom über, weil nur damit Transformatoren betrieben werden können, welche die Spannungsangleichung bei Netzkopplungen ermöglichten.

Bald kam man auf die Idee, höher gelegene Wasserspeicherreservoire anzulegen, die mit einem gerade herrschenden Stromüberangebot über elektrisch angetriebene Pumpen gefüllt wurden, um sie bei Strombedarfsspitzen über Turbinen-Generator-Sätze nahezu verzögerungsfrei zu entleeren. Mit derartigen Pumpspeicherwerken konnte man das Grundproblem der elektrischen Stromversorgung beherrschen: Der erzeugte Strom muss jederzeit durch eine gleich große Abnahme gedeckt sein, damit die Netzfrequenz stabil bleibt.

Allerdings gab es noch bis in die Nachkriegszeit in den 1950-Jahren lokale oder regionale Gleich- oder Wechselspannungsnetze mit unterschiedlichen Spannungen (Inselnetze). Die meisten Radiosammler haben trafolose Allstromgeräte in ihrem Fundus, die für den Betrieb an Gleich- und Wechselstromnetzen einstellbar waren und noch in den Gründerjahren der Bundesrepublik gebaut wurden. So steht in der Bedienungsanleitung (Bild 17) des in den Jahren 1954/55 gebauten Philips-Allstrom-Supers ‚PHILETTA 234 L‘ unter „Anschluss an das Lichtnetz“: „Ihre „PHILETTA 234 L“ ist zum wahlweisen Anschluss an Gleich- oder Wechselstrom geeignet und ist im Werk auf die am häufigsten anzutreffende Spannung des Lichtnetzes von 220 Volt eingestellt. Prüfen Sie bitte, bevor Sie das Gerät anschließen, welche Netzspannung Sie in Ihrer Wohnung haben. Das Typenschild Ihres Stromzählers oder auch jede Ihrer Glühlampen gibt darüber Auskunft. Eine Umschaltung auf 127 Volt ist mit Hilfe des Spannungswählers möglich, der nach Abnahme der Rückwand zugänglich ist.“

Ein anderes Beispiel: Erst am 10.10.1992 (nach der Wiedervereinigung!) erfolgte für Ernstthal, einen Ortsteil der Glasbläserstadt Lauscha in Thüringen, noch eine Spannungsumstellung von 127/220 Volt auf 220/380 V für 180 Stromkunden.

Wird mehr Strom in das Netz eingespeist als verbraucht, steigt seine Frequenz (> 50 Hz) und die Erzeugung muss gedrosselt werden. Wird mehr Strom verbraucht als eingespeist, nimmt die Netzfrequenz ab (< 50 Hz) und die Stromproduktion muss gesteigert werden.

Alternativ lässt sich auch der Verbrauch in gewissen Grenzen an die Produktion anpassen, um das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch herzustellen. Dazu müssen aber bestimmte Verbraucher (z. B. das Ladegeräte von Elektrofahrzeugen, Waschmaschinen, Speicherheizungen …) vom Netzbetreiber mittels Fernwirktechnik temporär ab- und zugeschaltet werden. Im Zeitalter eines nahezu überall verfügbaren Internets ist das technisch problemlos möglich.

Grundsätzlich gilt als Voraussetzung für eine stabile Versorgung: Zur Abdeckung der Grundlast benötigt man stetig erzeugte Energie und zur Abdeckung von Lastspitzen und zu Regelungszwecken schnell verfügbare Energie.

Speicherkraftwerke

Das im Speichersee eines Speicherkraftwerks gesammelte Wasser hat eine potentielle Energie (Lageenergie) die dem Produkt aus Wassermasse m in kg, Erdbeschleunigung g (g = 9,81 m/s²) und Höhe über dem Meeresspiegel in m entspricht. Gleichung 4 zeigt in grober Abschätzung die wesentlichen physikalischen Zusammenhänge am Beispiel des österreichichen Speicherkraftwerks Kaprun.

Die Gegebenheiten zeigt eine Infotafel der Kraftwerksgruppe Glockner-Kaprun (Bild 18).

Indem das Wasser aus dem Speichersee über Druckstollen oder Fallrohre in die tiefer gelegenen Turbinen abgelassen wird, findet die Wandlung potentieller in kinetische Energie statt. Unter Berücksichtigung aller Verluste und der Wirkungsgrade von Turbine und Stromgenerator lassen sich letztendlich etwa 70 Prozent der potentiellen Energie in elektrische Energie überführen.

Im Jahr 2022 speisten in Deutschland 31 Pumspeicherwerke zusammen sechs Terawattstunden elektrische Energie ins Stromnetz.

Installierte Leistung

Nach Informationen des Bundesverbands Deutscher Wasserkraftwerke (BDW) e.V. sind derzeit etwa 7300 Wasserkraftanlagen aller Größenordnungen mit einer installierten Leistung von rund 5600 MW in Betrieb. Dabei leisten 6900 Anlagen (94 Prozent) unter 1 MW und gelten deshalb als Kleinwasserkraftanlagen. Ihr Beitrag zur gesamten Stromproduktion durch Wasserkraftanlagen beträgt nur etwa 14 Prozent, was etwa 0,5 Prozent der bundesdeutschen Stromproduktion entspricht. Wegen der schwankenden Niederschlagsmengen ist die jährliche Stromproduktion aus Wasserkraft entsprechend unbeständig und liegt zwischen 20000 und 29000 TWh. Damit lassen sich zwischen 5,7 und 8,3 Millionen Haushalte mit einem durchschnittlichen Jahresverbrauch von 3500 kWh  versorgen.

Wegen des hohen Alters vieler Wasserkraftanlagen von bis zu 100 Jahren ließe sich alleine durch Modernisierungsmaßnahmen deren Leistung um 30 Prozent steigern. Ob Erneuerung, Neubau oder Reaktivierung von Wasserkraftanlagen wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt stark von den Rahmenbedingungen, insbesondere der EEG-Vergütung (EEG: das Erneuerbare-Energien-Gesetz) ab. Nicht zuletzt muss die gesellschaftliche Akzeptanz im Hinblick auf Ökologie und Gewässerschutz gegeben sein.