Luftbild des Wasserkraftwerks Iffezheim am Rhein

Wasserkraftwerke – Pfeiler der Erneuerbaren in BW

Wasserkraftwerke erzeugen erneuerbare Energie. Insbesondere in Baden-Württemberg ist die Wasserkraft ein wichtiger Teil des Energiemixes. Wie Wasserkraftwerke funktionieren und was die Vor- und die Nachteile dieser Stromerzeugung sind, dazu mehr in diesem Artikel.

Wasserkraftwerke sind heute weltweit im Einsatz und das sehr erfolgreich. Länder wie Brasilien (64 %) oder auch Kanada (60 %) erzeugen ihren Strom mehrheitlich mit Wasserkraft, ganz zu schweigen von Norwegen (92 %). Global liefert die Wasserkraft 16 % des Strombedarfs und 58 % des erneuerbar erzeugten Stroms.

In Deutschland spielt die Stromerzeugung aus Wasserkraftwerken dagegen eine eher geringe Rolle: Nur 3 bis 4 % unseres Stroms wird in den über 7.300 kleinen und großen Wasserkraftwerken erzeugt. Eine Ausnahme bildet Baden-Württemberg. 2021 produzierten die 65 großen Wasserkraftwerke und 1.700 kleinen Anlagen (weniger als 1 MWpeak Leistung) insgesamt 4,67 TWh Strom. Damit wurden 9,2 % des in Baden-Württemberg erzeugten Stroms in Wasserkraftwerken erzeugt.

Inhaltsverzeichnis

Baden-Württemberg – Land der Wasserkraft

Durch die geographischen Gegebenheiten ist Baden-Württemberg prädestiniert für die Stromerzeugung aus Wasserkraftanlagen. So überwindet allein der Neckar in dem 200 km langen, für die Wasserkraft relevanten Streckenabschnitt eine Höhendifferenz von 160 m. Auch der Rhein, die Donau und die Iller weisen eine ganze Reihe von großen Flusskraftwerken auf. Wenn man die Karte mit den bestehenden, stromerzeugenden Wasserbauwerken im Energieatlas des baden-württembergischen Umweltministeriums betrachtet, stellt man fest, dass das ganze Land mit entsprechenden Anlagen überzogen ist.

Karte mit Wasserkraftwerken in Baden-Württemberg
Screenshot der Karte mit Wasserkraftwerken in Baden-Württemberg. Quelle: Umweltministerium BW

Die Leistungen der Anlagen fallen allerdings in Abhängigkeit von der Größe höchst unterschiedlich aus. Eines der größten Laufwasserkraftwerke Deutschlands befindet sich am Rhein in Iffezheim. Dort versorgen 5 Turbinen 250.000 Haushalte mit Strom. Dagegen nimmt sich das zuletzt (in 2011) neu errichtete Wasserkraftwerk am Neckar in Esslingen etwas bescheidener aus: Es kann nur 2.300 Haushalte versorgen.

Die Wasserkraft ist also im deutschen Südwesten ein wichtiger Faktor bei der Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie. Und es ginge noch mehr: Eine von der Landesregierung durchgeführte Potenzialanalyse identifiziert mehrere hundert neue Standorte, an denen sich aus Fließgewässern Strom erzeugen ließe. (1)

Welche Arten von Wasserkraftwerken gibt es in Baden-Württemberg?

Generell unterscheidet man zwischen Speicherkraftwerken und Laufwasserkraftwerken

Bei Speicherkraftwerken werden große Mengen Wasser durch Staudämme und Talsperren aufgestaut. Zufluss und Abfluss sind zwar vorhanden, aber im Verhältnis zur Menge des gespeicherten Wassers relativ gering. Durch die Höhe der Staumauern können allerdings viel größere Energiemengen verarbeitet werden als bei Laufwasserkraftwerken. 

Eine besondere Art von Speicherkraftwerk ist das Pumpspeicherwerk, wie es z. B. die EnBW in Glems auf der Schwäbischen Alb betreibt. Dabei wird das Wasser in einen Obersee gepumpt und vorgehalten. Wenn Strom benötigt wird, der anders nicht erzeugt werden kann, wird das Wasser durch Rohre in einen Untersee geleitet und überwindet dabei eine Fallhöhe von 300 m. Die Energie, die in dem anströmenden Wasser enthalten ist, wird von 2 Turbinen in Strom umgewandelt, die sich am Fuße des Systems befinden. In Glems werden dadurch aus 810.000 m3 Wasser innerhalb von 6 Stunden 580 MWh Strom gewonnen. Das Wasser wird wieder hochgepumpt, wenn zu viel Strom im System zur Verfügung steht.

In der Regel handelt es sich bei den Wasserkraftwerken in Baden-Württemberg jedoch um Laufwasserkraftwerke, die an Fließgewässern betrieben werden.

Wie funktioniert ein Laufwasserkraftwerk?

Ein Laufwasserkraftwerk wird an einem Fließgewässer betrieben. Durch die Konstruktion in Kombination mit entsprechenden Schleusensystemen ist sogar weiter Schifffahrt möglich, wie es z. B. bei den Wasserkraftwerken am Oberrhein oder am Neckar der Fall ist. 

Stauwehr 

Ob es sich um einen großen Staudamm oder um ein kleines Kraftwerk im Neckar handelt: Zunächst muss das einfließende Wasser des Flusses aufgestaut werden. Im Gegensatz zu den großen Talsperren mit ihren hohen Staudämmen beträgt die Stauhöhe bei den Laufwasserkraftwerken in Baden-Württemberg allerdings nur wenige Meter. Durch die Stauung entsteht ein Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel vor dem Kraftwerk (Oberwasser) und dem des abfließenden Wassers nach dem Kraftwerk (Unterwasser). 

Rohrleitung

Durch das Gesetz der Schwerkraft drängt das Oberwasser nach unten und wird durch ein Rohr zur Turbine geleitet. Dieses Rohr befindet sich unterhalb des Wasserspiegels und ist durch einen Rechen gesichert. Dieser verhindert, dass angeschwemmtes Material zur Turbine gelangt. Das Rohr weist eine Fallhöhe auf, durch die die Geschwindigkeit des Wassers und damit die enthaltene Energie erhöht wird. Bei den großen Laufwasserkraftwerken in Baden-Württemberg beträgt die Fallhöhe zwischen 3 und 20 m.

Wasserturbine

In der Turbine wird die kinetische Energie des Wassers in Rotationsenergie umgewandelt. Es gibt eine ganze Reihe unterschiedlicher Bauarten von Turbinen, die jeweils optimiert auf die Umstände – Fallhöhe und Wasserdurchflussmenge –  die höchstmögliche Leistung sicherstellen. Der Wirkungsgrad, also der Anteil der Energie, die dem Wasser entnommen werden kann, ist bei Wasserkraftwerken relativ hoch. 85 bis 90 % der Energie, die in dem anströmenden Wasser enthalten ist, verlässt als elektrische Energie das Wasserkraftwerk. Bei Windkraftwerken sind das z. B. nur maximal 50 % und bei Solaranlagen etwa 20 %. 

In Laufwasserkraftwerken kommen zumeist Kaplan-Turbinen zum Einsatz. Dabei wird ein Propeller ähnlich einer Schiffsschraube durch das seitlich durchströmende Wasser in Drehung versetzt. 

Die Geschwindigkeit ist dabei immer konstant, da die Propellerflügel verstellbar sind. Eine Kaplan-Turbine kann bis zu 1.000 m3 Wasser pro Sekunde verarbeiten und dabei 96 % der Wasserenergie in Rotationsenergie umwandeln. Bis zu 150 MW Leistung können damit erzielt werden.

Ebenfalls häufiger anzutreffen sind sogenannte Francis-Turbinen. Bei diesen strömt das seitlich zugeführte Wasser zentral mittig durch ein Schaufelrad. Diese Turbinenart kann ebenfalls bis zu 1.000 m3 Wasser pro Sekunde aufnehmen und dabei bis 1.000 MW elektrische Leistung erzeugen. Der Unterschied zur Kaplan-Turbine besteht darin, dass die Francis-Turbine Wasser mit wesentlich höheren Maximalgeschwindigkeiten nutzen kann.

Bei kleineren Laufwasserkraftwerken, durch die das Wasser langsamer fließt, kommen wiederum andere Arten von Turbinen zum Einsatz, z. B. Wasserwirbelturbinen oder Wasserkraftschnecken.(2)

Generator

Ein Getriebe verbindet die durch die Wasserkraft rotierende Turbinenachse mit dem Generator. Das Getriebe erhöht nochmals die Rotationsgeschwindigkeit des elektrischen Leiters, der im Magnetfeld des Generators gemäß dem Prinzip der Induktion Gleichstrom erzeugt.

Transformator

Vom Generator wird der Gleichstrom in eine Transformatorstation geleitet. Dort wird daraus Wechselstrom erzeugt und die Spannungsebene erhöht. Von dort wird der Strom dem Stromnetz zur Verfügung gestellt.

Rotor des Wasserkraftwerks Rheinfelden
Rotor des Wasserkraftwerks Rheinfelden an der deutsch-schweizerischen Grenze. Bild: Energiedienst
Plan des Wasserkraftwerks Rheinfelden
Plan des Wasserkraftwerks Rheinfelden. Links sind die Aufstiegsgewässer für die Fische gut zu erkennen. Bild: Energiedienst

Welche Vorteile haben Wasserkraftwerke?

Wasserkraftwerke erzeugen klimaneutral Strom. Da durch den Kreislauf von Verdunstung und Niederschlag zumeist ausreichend Wasser vorhanden ist, handelt es sich nicht um eine endliche Ressource. Die Anlagen selbst sind sehr langlebig und teilweise schon über 100 Jahre in Betrieb.

Nur in niederschlagsarmen Sommern, wenn die Pegel sinken, kann es zu Engpässen kommen. Ansonsten versorgen Wasserkraftwerke die Stromverbraucher*innen nahezu rund um die Uhr. Wasserkraft unterliegt also nicht so stark Witterungseinflüssen, wie wir das von der Photovoltaik oder der Windkraft kennen. Sie ist daher, so bezeichnet das die Energiewirtschaft, grundlastfähig, kann also Energie nahezu unterbrechungsfrei Tag und Nacht bereitstellen.

Welche Nachteile haben Wasserkraftwerke?

Der starke Eingriff in die Gewässerökologie, der die Einrichtung und der Betrieb eines Laufwasserkraftwerkes notwendigerweise mit sich bringt, stellt die größte Problematik dar. Die Veränderung der Fließgeschwindigkeit und die Errichtung von Stauwehren stellt die Fauna und Flora vor Herausforderungen. Daher werden bestehende Laufwasserkraftwerke vor allem dahingehend ertüchtigt, diese Belastungen zu vermindern bzw. zu beenden.

Da Flussfische zumeist im Laufe des Jahres den Fluss hinunter und zu ihren Laichgebieten, Futterplätzen oder Winterquartieren wieder hinauf wandern, stellen die Stauanlagen als unüberwindbare Hindernisse eine ernste Gefahr für die Populationen dar. Deswegen werden an den Kraftwerken wenn nötig Fischpässe oder Fischaufstiegsgewässer künstlich errichtet, die von den Fischen auch gut angenommen werden. Denn Fische orientieren sich bei ihren Wanderungen allein an der Fließgeschwindigkeit der Gewässer. In Bezug auf die Uferbereiche, die vor und hinter dem Kraftwerk meist begradigt wurden, werden inzwischen vermehrt Renaturierungsmaßnahmen vorgenommen.

Förderung der Wasserkraft in Baden-Württemberg

Seit 2017 fördert das Land Baden-Württemberg den Ausbau der sogenannten „kleinen Wasserkraft“. Damit sind Wasserkraftwerke gemeint, die eine Leistung von mindestens 100 kW bis höchstens 1.000 kW erbringen. Gefördert werden 3 unterschiedliche Szenarien:

  • Bei bereits in Betrieb befindlichen Wasserkraftwerken wird die technische Modernisierung gefördert.
  • Wasserkraftwerke, die nicht mehr betrieben werden, können mit staatlichen Zuschüssen revitalisiert, also so hergerichtet werden, dass sie wieder Strom erzeugen.
  • Auch der Bau neuer Anlagen dieser Größe wird gefördert, allerdings gelten hier strenge ökologische Kriterien.

Gefördert werden nur kleine und mittlere Unternehmen und das Fördervolumen pro Projekt beträgt 10.000 bis maximal 200.000 Euro.

Fazit: Wasserkraft bleibt ein wichtiger Faktor bei der klimaneutralen Stromerzeugung

Wasserkraftwerke sind seit vielen Jahrzehnten erprobte, zuverlässige, weil nahezu wetterunabhängige Lieferanten erneuerbarer Energie. Zwar sind die Eingriffe in die Gewässer an den Standorten erheblich, doch lassen sich durch entsprechende Maßnahmen, wie z. B. Fischtreppen, die Folgen abmildern.

Ein weiterer Ausbau der Wasserkraft wäre daher wünschenswert, ist jedoch nicht in einem Umfang möglich, wie es der klimaneutrale Komplettumbau des Energiesystems erfordern würde. Wasserkraft kann daher nur einen Teil, allerdings einen wichtigen, hin zu einer klimaneutralen Energieerzeugung beitragen. 

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Links

Informationsseite über die Wasserkraftwerke der EnBW


Belege
(1) https://www.energieatlas-bw.de/wasser/potenzialanalyse
(2) https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserturbine

  1. Bruno Hackspacher

    In Bayern gibt es ein Unternehmen welches kleine Tauchturbinen zur Strom Erzeugung herstellt. Dieses Gerät braucht keine Mauern oder Bauten, es wird nur an einem Stahlseil befestigt damit das fließende Wasser die Turbine zum rotieren bringt.
    Wäre so ein Ergänzungssystem interessant für Deutschland?

    • Redaktion natürlichZukunft

      Hallo, danke fürden Kommentar: Das klingt nach einer interessanten Technologie. Leider sind wir im Bereich der Wasserkraft-Technologien nicht die Experten und können deshalb zu den Einsatzmöglichkeiten keine Einschätzung abgeben. Viele Grüße, das Team von natürlichZukunft.

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