Wie wirkt sich Niedrigwasser auf die Stromproduktion aus?

Trockene Tage gibt es nicht nur im Hochsommer. Im Gegenteil, Trockenperioden können das ganze Jahr über auftreten, auch im Winter.
Aber was passiert im Wasserkraftwerk Rheinfelden, wenn mal nicht ganz so viel Wasser den Rhein runter fließt wie üblich? Und wie wirkt sich wenig Wasser auf die Stromproduktion aus?

Im Unterwasser des Wasserkraftwerks Rheinfelden ragen auch bei durchschnittlicher Wasserführung Felsformationen aus dem Wasser: Das sogenannte Gwild ist eine natürliche Felsformation mit Stromschnellen und Canyons und bietet Pflanzen und Tieren Lebensraum.

Trockene Zeiten und niedrige Pegelstände

Nicht immer wenn es lange nicht geregnet hat, und der Rhein wenig Wasser führt, sprechen wir von Niedrigwasser.
Denn Niedrigwasser kommt selten vor und stellt – genau wie Hochwasser – eine absolute Ausnahmesituation dar. Perioden mit weniger Wasser als durchschnittlich, kommen hingegen gelegentlich vor.

Erst wenn weniger als 500 Kubikmeter Wasser pro Sekunde die Turbinen des Wasserkraftwerks in Rheinfelden passieren, sprechen wir von einer Niedrigwassersituation.
Statistisch gesehen geschieht dies nur alle zwei Jahre einmal.

Der Bildschirm im Infocenter im Wasserkraftwerk Rheinfelden zeigt die Wasserführung vom 2. Dezember, einem sonnig-frostigen Wintertag: Mit 620 Kubikmeter pro Sekunde liegt der Wert leicht unter dem Durchschnitt – das ist zwar wenig Wasser, aber noch kein Niedrigwasser.

Wasserstandsmeldungen in Deutschland

Die Pegelstände des Rheins und seiner rund 500 Zu- und Nebenflüsse behalten die Geografen und Meteorologen der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) ständig im Auge.
Schließlich ist der Rhein nicht nur eine Quelle für sauberen Strom, sondern auch sowas wie die Autobahn der Schifffahrt und wichtigster Transportweg Europas.

… und in der Schweiz

Den Pegelstand des Rheins bei Rheinfelden überwacht das schweizerische Bundesamt für Umwelt, kurz BAFU. Im Internet erfährt jeder den aktuellen Wassersstand.
Vorhersagen und weitere Messwerte wie beispielsweise die Wassertemperatur informieren über die Lage am Hochrhein.

Aber was geschieht im Wasserkraftwerk Rheinfelden, wenn nicht die ideale Wassermenge durch die Maschinen braust?

Das Wasserkraftwerk Rheinfelden, eines der modernsten Europas, trotzt jedem Wetter: Ob viel oder wenig Wasser von oben oder aus den Alpen – die Anlage passt sich automatisch den Witterungsbedingungen und damit der sogenannten Abflussmenge an.
Bei optimaler Wassermenge, das sind 1500 Kubikmeter pro Sekunde, laufen alle vier Kaplanturbinen auf Hochtouren und produzieren zuverlässig Ökostrom aus Wasserkraft.
Die Mitarbeiter im Kraftwerk sprechen dann von der „idealen Schluckwassermenge“: In einer Sekunde fließen 375 Kubikmeter Wasser durch eine Turbine. Das entspricht ungefähr dem Fassungsvolumen von 20 Tanklastern.

Trockene Winter, nasse Sommer

Die Wasserführung in Fließgewässern ist abhängig von den Jahreszeiten:
Im Frühsommer setzt die Schneeschmelze ein. Das Schmelzwasser sorgt zusammen mit häufigen Niederschlägen für eine gute Wasserführung im Rhein. Die wasserreichen Monate Mai bis August gleichen im Jahreswert die für gewöhnlich trockenen Monate November bis Februar wieder aus. Daraus ergibt sich ein Jahresdurchschnitt von rund 1.000 Kubikmeter Wasser pro Sekunde.

Blick auf das Unterwasser im Bereich des Stauwehrs: An einem sonnigen Herbsttag fließen hier rund 30 Kubikmeter Wasser pro Sekunde rheinabwärts.

Um die optimale Leistung zu erzielen, benötigt eine Turbine 375 Kubikmeter Wasser pro Sekunde.
Aber was passiert, wenn diese Wassermassen nicht vorhanden sind?

1. Der Leitapparat schließt sich vollautomatisch so weit, dass exakt die Wassermenge, die der Rhein in dieser Sekunde führt, durch die Turbinen strömt. Je nach Wassermenge werden einzelne Maschinen abgeschaltet und das vorhandene Wasser verteilt sich auf die restlichen Turbinen. Im Kraftwerk Rheinfelden laufen bei ca. 700 Kubikmeter Wasser pro Sekunde anstatt 4 nur 3 Maschinen, bei ca. 500 Kubikmeter Wasser pro Sekunde nur noch 2 Maschinen.

Neben den vier großen Maschinen gibt es zusätzlich eine kleine Dotierturbine im Wasserkraftwerk Rheinfelden: Der Leitapparat der Dotierturbine regelt die Wassermenge, die durch eine Turbine fließt.

2. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, passt sich die Stellung der Leit- und Laufradschaufeln der Wassermenge an, um bei jeder Situation die maximal mögliche Energie zu erzeugen.
Dies ist das Prinzip der Kaplan-Turbine.

Wie funktioniert eine Kaplan-Turbine?

Das Wasserkaftwerk fährt keine Volllast. Bedeutet das, in Rheinfelden gehen die Lichter aus?

Nein! Ein Niedrigwasser tritt auf, wenn es trocken und warm ist: Ideale Bedingungen für andere erneuerbare Energieerzeuger. Solaranlagen und Windräder profitieren von dieser Wetterlage, sind voll ausgelastet und speisen den erzeugten Ökostrom direkt ins Netz ein.
Auch die Energie aus anderen Kraftwerken kommt dann zum Einsatz, um die Abnahme der Einspeisung aus den Wasserkraftwerken auszugleichen. Produziert wird dennoch, aber nur so viel, wie es die Wassermenge hergibt.

Und was passiert bei einem Hochwasser im Wasserkraftwerk?

Beim letzten großen Hochwasser stürzten die Wassermassen über das Wehr des alten Wasserkraftwerks: Um dem Wasser so wenig Widerstand wie möglich zu bieten, sind die Wehrschützen komplett geöffnet.

Von einem Hochwasser spricht man allerdings erst bei einer Wassermenge von mehr als 2.500 Kubikmetern pro Sekunde. Kommt es zu einem Hochwasser, werden große Wassermengen unter den Wehrsegmenten durchgelassen. Bei flutartigem Hochwasser können die Schützen komplett hochgezogen werden, sodass das Wasser widerstandslos vorbei strömen kann.

Der Unterwasserspiegel steigt bei Hochwasser an. Wasser, das nicht durch die Turbinen fließt, bleibt ungenutzt und kann nicht zur Stromproduktion verwendet werden.

Schlimmer als der ungenutzte Wasserüberfluss ist allerdings das veränderte Gefälle. Bei einer durchschnittlichen Wassermenge von 1.000 Kubikmeter pro Sekunde liegt zwischen Ober- und Unterwasser ein Höhenunterschied von 8,5 Meter. Verringert sich nun die Differenz des Wasserstands vor und hinter dem Kraftwerk, nimmt die Leistung ab und es wird weniger Strom erzeugt.

Außerdem stellt ein Hochwasser einen zusätzlichen Arbeitsaufwand dar. Die Fluten reißen Unmengen an Bäumen und Sträuchern und weiterem Treibgut mit, die vom Rechen des Kraftwerks aufgefangen werden. Der Rechen verhindert, dass Geschwemmsel – wie es im Kraftwerks-Jargon heißt – in die Maschinen gelangt.

Jede Menge Geschwemmsel spülte das Jahrhundert-Hochwasser 1999 zum alten Wasserkraftwerk Rheinfelden.

Die Kraftwerksmitarbeiter sind bei einem Hochwasser rund um die Uhr gefordert: Sie bedienen nicht nur die Rechenreinigungsmaschine, die den Rechen von diesem Material befreit, sondern auch den großen Portalkran, der schwere Lasten aus dem Rechen in einen Container hievt.

…und in Zukunft?

Einschätzungen der Experten der Bundesanstalt für Gewässerkunde zufolge, ist in den kommenden Jahrzehnten nicht mit einer Zunahme von Niedrigwasser am Rhein zu rechnen.
Genau wie Hochwasser gehört Niedrigwasser seit jeher zu den möglichen Szenarien, die bei einem Fließgewässer eintreten können. Die Experten geben also fürs Erste Entwarnung.

Durch den Klimawandel und die Erderwärmung sind andauernde Niedrigwassersituationen gegen Ende des Jahrhunderts jedoch anzunehmen. Wie schnell sich diese Prognose bestätigt, haben wir in der Hand: Umweltschutz und Energiesparen beginnen im Kleinen. Jeder kann täglich und nachhaltig dazu beitragen und Möglichmacher der Energiewende werden.

Julia Senft

Julia Senft ist Volontärin im Bereich Kommunikation bei Energiedienst: „Bei meiner zweijährigen Ausbildung durchlaufe ich alle Stationen der modernen Unternehmenskommunikation von der klassischen Pressemitteilung über Social Media bis hin zur Besucherinformation.“