Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Wasserkraftwerke gehören zu den effizientesten Kraftwerken überhaupt. Mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 90 Prozent punkten sie vor fossilen Energieträgern sowie Wind- und Solarenergie. Erfahre, wie Wasserkraftwerke funktionieren.

Hoch in den Bergen: Speicherkraftwerke

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Kraftwerkstypen: Speicherkraftwerke und Laufwasserkraftwerke. Speicherkraftwerke sammeln das Wasser mithilfe eines Stausees hoch in den Bergen und lassen es durch Druckstollen bzw. Rohrleitungen ins Tal rauschen. Dort fließt es im Maschinenhaus durch die Turbinen und treibt so die Stromgeneratoren an. Diese Anlagen sind also zweiteilig. Der Speichersee steht oben in den Bergen, das Kraftwerk an sich steht unten im Tal. Eine gängige Bauart hierbei stellt das sogenannte Pumpspeicherkraftwerk dar. Es funktioniert nach demselben Prinzip, mit dem Unterschied, dass die Turbinen auch „rückwärts“ laufen, also auf Pumpbetrieb umstellen können. So kann temporär überschüssiger Strom genutzt werden, um den Speichersee zu füllen und bei Bedarf wieder abzulassen. Eine Art große Batterie könnte man sagen.

Strom erzeugen, wo andere Urlaub machen: Unser Speicherkraftwerk Lötschen im Oberwallis. Bild: Energiedienst/Thomas Andenmatten

Drunten im Tal: Laufwasserkraftwerke

Laufwasserkraftwerke hingegen stehen mitten in einem Fließgewässer (Fluss) und lassen das Wasser direkt durch die Turbinen fließen. Diese Kraftwerke verbinden das eine Ufer mit dem anderen und bilden eine Linie quer zum Fluss. Wie eine Brücke. Auf diese Weise kann ein Laufwasserkraftwerk praktisch konstant dieselbe Menge an Strom produzieren, da der Fluss permanent hindurchfließt. Das ist für andere erneuerbare Erzeugungsanlagen, die Wind- oder Solarenergie nutzen, kaum möglich. Natürlich bringt ein Fluss übers Jahr gesehen nie dieselbe Menge an Wasser. Es gibt also auch hier natürliche Schwankungen. Aber diese Schwankungen sind eher langsam und zudem gut vorhersehbar. Ideal für eine stabile Stromversorgung mit erneuerbaren Energien. Schauen wir uns diese Laufwasserkraftwerke deshalb ein wenig genauer an.

Seit 10 Jahren am Netz: Das Wasserkraftwerk in Rheinfelden. Bild: Energiedienst/Luftaufnahmen Meyer

Der Weg des Wassers

Ein Fluss fließt deshalb, weil sein Flussbett ein Gefälle aufweist. Für ein Wasserkraftwerk gilt: Je mehr Wasser und je mehr Gefälle, desto besser. Beide Faktoren erhöhen die daraus resultierende Wasserkraft. Ein Beispiel aus dem Alltag: Wenn Du Deine Balkonpflanzen mit derselben Menge Wasser einmal aus 20 Zentimetern Entfernung und einmal, von einer Leiter herab, aus zwei Metern Höhe gießt, wirst Du feststellen, dass die Wasserkraft mit dem Höhenunterschied zunimmt. Ein großer Fluss mit steilem Untergrund ist also ein idealer Standort für ein Laufwasserkraftwerk. Grundsätzlich ist aber jegliche Kombination von Wassermenge und Gefälle denkbar, also auch kleinere Flüsse mit geringem Gefälle. Was hierbei letztlich zum entscheidenden Erfolgsfaktor wird, ist die Wahl der passenden Turbine.

Im Wartungszustand: Kaplan-Rohrturbine im Wasserkraftwerk Rheinfelden. Bild: Energiedienst

Die Turbine

Die Vielfalt an Wasserkraftturbinen ist groß, deshalb konzentrieren wir uns hier auf die sogenannte Kaplan-Rohrturbine. Dieser Typ wird in modernen Flusskraftwerken wie dem Wasserkraftwerk Rheinfelden oft verwendet. Die Turbine besteht aus einem Laufrad, mit vier verstellbaren Flügeln, einem sogenannten Leitapparat, der die Durchflussmenge reguliert, und einer Welle, die das Ganze mit dem Stromgenerator verbindet.

Der gesamte Ablauf

Das Wasser kommt auf das Kraftwerk zu und fließt als erstes durch den Rechen. Dieser hält das Schwemmgut von den Turbinen fern. Im Kraftwerk (Maschinenhaus) fließt das Wasser zunächst um den Generator, dann durch den Leitapparat und schließlich auf das Laufrad, welches sich dadurch zu drehen beginnt. Die Drehung wird auf den Generator übertragen, der dadurch Strom produziert. Als letzten Schritt verlässt das Wasser die Anlage durch das sogenannte Saugrohr. Dieser Gebäudeteil wird in Richtung Ausgang immer größer, damit das Wasser mehr Platz bekommt. Somit entsteht ein Unterdruck, der das Wasser förmlich aus dem Kraftwerk „herauszieht“. All diese Prozesse werden von einem vollautomatischen Prozessleitsystem gesteuert. Somit kommt ein Rheinkraftwerk in aller Regel mit ca. zehn Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern aus.

Größenvergleich: Der Autor vor einem ausgewachsenen Leitapparat. Bild: Energiedienst

Volle Flexibilität

Nun bringt ein Fluss nie dieselbe Menge an Wasser. Deshalb muss ein Laufwasserkraftwerk flexibel sein. Die Leitapparate an den Turbinen sind immer so weit geöffnet, dass die zur Verfügung stehende Wassermenge genau hindurchpasst. Steigt die Menge, werden die Leitapparate weiter geöffnet. Sind diese alle ganz offen, ist die maximale Durchflussmenge und in der Regel auch die maximale Leistung erreicht. Kommt nun noch mehr Wasser den Fluss hinunter entsteht ein Überschuss, den das Stauwehr über seine Klappen abführt. Ein Laufwasserkraftwerk lässt also stets die gesamte Abflussmenge durch die Turbinen und durchs Stauwehr fließen, damit nachfolgende Kraftwerke – und manchmal auch die Schifffahrt – mit derselben Menge an Wasser arbeiten können.

Simon Kuner

Als Referent für Öffentlichkeitsarbeit und Event-Management arbeitet Simon Kuner in der Besucherinformation von Energiedienst: „Wir müssen Nachhaltigkeit und die Verantwortung für unseren Planeten täglich praktizieren. Nur so inspirieren wir andere, es auch zu tun. Als Referent in einem Wasserkraftwerk bin ich dafür genau an der richtigen Stelle!“