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Strom aus Wasserkraft

Flüsse und Seen sind die gestaltenden Elemente der Natur. Man sieht in ihnen Schönheit, Freizeitwerte, aber auch wirtschaftliche Transportwege für den Güterverkehr. Nicht zuletzt ist Wasser aber auch ein Energieträger. Vor allem aber ist Wasser das Grundelement allen Lebens und deswegen außerordentlich wertvoll.

Gegenüber den meist im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien genannten Energieträgern wie Sonne und Wind hat die Wasserkraft einen enormen Vorteil: Sie eignet sich dazu, den Grundlastbedarf des Netzes zu bedienen, weil sie – über kurze Zeitspannen – nicht volatil ist. Das bedeutet: Wasserkraft steht im nahezu konstantem Maße zur Verfügung. Flüsse und Seen werden aus Niederschlägen direkt und über die Zuflüsse permanent gefüllt.

Es gibt allerdings auch Nachteile, die bei der Planung einer Wasserkraftanlage unbedingt zu beachten sind: Zum einen ist die Leistung einer Wasserkraftanlage maßgeblich vom Wasserstand des Gewässers und damit auch von den klimatischen Randbedingungen abhängig. Lange heiße Trockenperioden senken die Pegel und reduzieren damit die Kraftwerksleistung. In Hochwassersituationen können Wasserkraftanlagen durchaus positive regulierende Einflüsse auf die Gebiete unterhalb des Kraftwerks haben, jedoch können Stauungen auch gefährliche Pegel oberhalb des Kraftwerks verursachen. Nicht zuletzt wirken sich auch Hochwasser nachteilig auf die Erzeugung elektrischen Stroms aus.

Bei den Pegelständen sind jedoch nicht nur die sichtbaren Wasserstände der Gewässer selbst zu betrachten, sondern auch die Situation des gesamten Einzugsgebietes und hier insbesondere das Grundwasser. Staustufen und Eintiefungen von Gewässer haben grundsätzlich auch Einfluss auf die Grundwasserspiegel der angrenzenden Gebiete. Steigende Grundwasserspiegel können zu überlaufenden Kellern führen, aber auch das Abwassersystem beeinträchtigen. Das Absenken des Grundwasserspiegels kann dagegen die Versorgung mit Trink- und Brauchwasser stören. Nicht zuletzt sind Risiken zu berücksichtigen, wenn sich durch Änderungen des Grundwasserspiegels die Dichte der bebauten Böden verändert. Diese Tatsachen machen die Wasserkraft keinesfalls unmöglich oder zu einem elementaren Risiko, sie müssen jedoch in den Planungen berücksichtigt und kompensiert werden. Technisch ist das heute sicher beherrschbar.

Flüsse sind Lebensraum und Lebensader unserer Landschaften. Sie sind aber auch Wasserstraße und Energiequelle. Foto: Xenia Schoblick

Flüsse sind Lebensraum und Lebensader unserer Landschaften. Sie sind aber auch Wasserstraße und Energiequelle. Foto: Xenia Schoblick

Mit einer fortschreitenden Energiesystemtransformation – der Begriff „Energiewende“ erscheint unpassend – werden aufgrund unterschiedlicher Motive besonders regenerative Energieträger mit großem Eifer kritisiert. Wasserkraft als Energieträger steht hier an einer sehr prominenten Stelle der Kritiker. Ein paar Beispiele:

  • Man sagt der Nutzung der Wasserkraft nach, die Lebensräume der Fische zu zerstören bzw. zumindest zu beeinträchtigen.

  • Wasserkraft wird mutmaßlich mit Überflutungen und Dürren in Verbindung gebracht.

  • Landschaftliche Veränderungen beispielsweise durch Talsperren werden der Wasserkraft als schädliche „Nebenwirkung“ zugeschrieben.

Grundsätzlich zählt die Nutzung der Wasserkraft neben der Windkraft zu den ältesten (und saubersten) Energieträgern überhaupt. Die Kritikpunkte sind in Bezug auf die Vergangenheit zum Teil durchaus berechtigt und müssen Anlass sein, aus den historischen Fehlern zu lernen. In modernen Diskussionen werden allerdings in der Kritik gegenüber die Wasserkraft wichtige Faktoren zumeist ausgeblendet. Auch hier seien ein paar Beispiele angeführt: Früher wurde Wasserkraft ausschließlich mithilfe von Wasserräder genutzt. Auch diese haben heute noch eine Bedeutung. Je nachdem, in welcher Umgebung eine Wasserkraftanlage betrieben wird, werden verschiedene Technologien verwendet:

  • Wasserräder (ober-, mittel- und unterschlächtige Wasserräder),

  • Wasserkraftschnecken,

  • Kaplan-Turbinen,

  • Francis-Turbinen,

  • Pelton-Turbinen,

  • Strömungskraftwerke,

  • Gezeitenkraftwerke,

  • Wirbelkraftwerke,

  • etc.

Die Kraft des Wassers wurde schon seit Jahrhunderten als Energiequelle genutzt. Zuerst wurde jedoch Wasserkraft in mechanische Energie umgesetzt. Schiffsmühlen hatten einen großen Vorteil gegenüber festen Wasserrädern: Sie passten sich an den Wasserstand des Gewässers an.

Die Kraft des Wassers wurde schon seit Jahrhunderten als Energiequelle genutzt. Zuerst wurde jedoch Wasserkraft in mechanische Energie umgesetzt. Schiffsmühlen hatten einen großen Vorteil gegenüber festen Wasserrädern: Sie passten sich an den Wasserstand des Gewässers an.

Wasserkraft versus Schifffahrt

Wasserstraßen sind wichtige Wirtschafts- und Transportwege. Sie sind historisch gewachsen und nicht zuletzt an den Bedürfnissen der Industrie ausgerichtet. So verbinden beispielsweise Wasserstraßen die Standorte der chemischen und der Schwerindustrie mit den internationalen Seehäfen Rotterdam und Hamburg. Zudem werden die Ströme des Landes durch Kanäle verbunden.

Wasserstraßen müssen als solche funktionieren und das bedeutet, dass sie vor allem über eine gewisse Wassertiefe und eine gewisse Breite verfügen müssen. Zudem soll der Transport auf dem Wasserweg zügig erfolgen. Häufige Kursänderungen verlangsamen die Transporte und verlängern die Strecke. Dies steht beides für sehr hohe Kosten, die durch Begradigungen und regelmäßige Ausbaggerungen reduziert werden. Die auf diese Weise entstehenden beträchtlichen Höhenunterschiede werden mit Schleusen und Schiffshebewerken überwunden. Staustufen mit großen Wehren regulieren die Wasserstände, jedoch in erster Linie mit dem Ziel, die geforderte Wassertiefe in der Fahrrinne zu gewährleisten.

Flussbegradigungen und Kanalisierungen der Uferbereiche sind Hauptursachen für Flutereignisse. Natürliche Überschwemmungsgebiete wurden zudem bebaut und nur durch oft zu schwach bemessene Deiche geschützt.

Die Höhenunterschiede der Staustufen können für die Stromerzeugung genutzt werden. Dies passiert seit langem auch in der Praxis und mittlerweile werden die Anlagen auch erweitert und modernisiert. Die Nutzung der Wasserkraft ist jedoch nur ein erfreulicher Nebeneffekt an diesen Standorten. Die Priorität liegt bei der Schifffahrt.

Wasserkraft versus Fischpopulation

Ohne Frage: Die Fischbestände in europäischen Gewässern haben einen Besorgnis erregenden niedrigen Stand erreicht. Viele Arten sind bereits aus den heimischen Flüssen verschwunden. Allerdings muss auch ein Trend zur biologischen Erholung der Gewässer anerkannt werden, der jedoch bei weitem noch nicht ausreichend ist.

Es gibt verschiedene Gründe für die dramatische biologische Situation in den Gewässern. Hier ist zunächst einmal die Einleitung von Abwässern der Städte und Siedlungen sowie natürlich der Industrie zu nennen. Die chemische Verunreinigung ist in den letzten Jahren dank schärferer Gesetze und aufwändiger Technik erheblich geringer geworden, jedoch erholen sich die Fischbestände nur sehr langsam.

Neben der chemischen Verunreinigung der Gewässer ist auch die thermische Verunreinigung zu erwähnen. Kalorische Kraftwerke, vor allem leistungsstarke Kernkraftwerke werden oft in unmittelbarer Nähe zu fließenden Gewässern errichtet. Hier entstehen große Mengen von Abwärme, die in Fernheizungsnetzen und in Kühltürmen weitgehend neutralisiert werden. Dennoch muss das zuvor dem Fluss entnommene Kühlwasser mit einer erheblichen Erwärmung nach dem Durchlauf im Kraftwerk wieder dem Flusslauf zugeführt werden, der sich somit flussabwärts um mehrere Kelvin erwärmt. Für verschiedene Fischarten sind diese verschiedenen Temperaturverhältnisse nicht ideal, da Fische auf ihren Wanderungen einer komplizierten inneren Sensorik folgen, die durch die warmen Wasserzonen gestört werden kann.

Auch die Schifffahrt trägt ihren Beitrag am Rückgang der Fischpopulationen bzw. an einer deutlich erschwerten biologischen Regeneration der Gewässer. Durch die Begradigung der Flüsse und die Kanalisierung der Uferzonen werden die Gewässer nicht nur schneller. Es fehlen auch die verschiedenen Habitate der Fische während ihrer unterschiedlichen Lebensphasen. Letztere können nur durch Uferrückbau und Renaturisierung der Uferzonen wieder hergestellt werden, was mittlerweile aufgrund von Bebauung und der Nutzung als Ackerland nur schwierig durchsetzbar ist.

Nicht zuletzt stellen die Stauwerke der Wasserstraßen und natürlich auch die Wehre der Wasserkraftwerke für Fische auf ihrer natürlichen Wanderschaft zu den Laichorten unüberwindliche Hindernisse dar, so dass die Arten allein deswegen vom Aussterben bedroht sind, weil ihnen die Grundlage der Vermehrung fehlt. Mittlerweile hat man dieses Problem erkannt und setzt auf Fischgängigkeit. Mithilfe von Lockströmungen, die in einem gewissen Abstand zum Turbinenauslauf in die Bewegungszone der Fische eingeleitet werden, wird die Orientierung der Tiere beeinflusst, die nun der Lockströmung folgen in die Fischaufstiegsanlage schwimmen.

Der Aufstieg erwachsener Fische zu den Laichgebieten wird mit Fischtreppen und anderen Fischaufstiegshilfen theoretisch und mit noch mäßigem praktischen Erfolg ermöglicht. Der Abstieg der Jungfische auf dem Weg ins Meer ist jedoch kompliziert. Wasserräder, Wasserkraftschnecken und langsam laufende Turbinen sind unkritisch, jedoch ist die Mortalität der Fisch bei schnell laufenden Hochleistungsturbinen sehr hoch. Diese werden nicht zu 100% durch Rechen vom Turbineneinlauf abgehalten.

Fischgängigkeit ist ein sehr kompliziertes und noch insbesondere in den biologischen Details zu erforschendes Thema. Zu bedenken ist auch, dass verschiedene Fischarten unterschiedliche Anforderungen an ihre Habitate stellen. Erst mit Modernisierungen bestehender Wehre und deren Nutzung zur Erzeugung elektrischer Energie durch Wasserkraft ist dieses Thema verstärkt ins Blickfeld von Politik und Umweltschutz geraten. Es versteht sich von selbst, dass einzelne Maßnahmen zur Fischgängigkeit nur wenig sinnvoll bis sinnlos sind, wenn nicht der Weg des gesamten Gewässers von der Mündung ins Meer bis zu den Laichgebieten entsprechend durchgängig ist.

Staustufen regulieren den Fluss. Im Falle eines Hochwassers haben Entscheidungen hinsichtlich des Öffnen und Schließens der Wehre grundsätzlich Konsequenzen für weite Teile des Einzugsbereiches eines Gewässers.

Staustufen regulieren den Fluss. Im Falle eines Hochwassers haben Entscheidungen hinsichtlich des Öffnen und Schließens der Wehre grundsätzlich Konsequenzen für weite Teile des Einzugsbereiches eines Gewässers.

Wasserkraft und Hochwasserrisiko?

Bereits mehrfach in diesem Beitrag wurden Begradigungen der Flüsse und die Befestigung der Ufer angesprochen. Diese führen zu einer erheblichen Beschleunigung des Gewässers gegenüber dem ursprünglichen Fluss. Dem wirken Staustufen und Schleusen entgegen, deren Hauptaufgabe es ist, den Wasserstand in den Fahrrinnen auf eine für Frachtschiffe befahrbare Tiefe zu halten. Darüber hinaus dienen Schleusen den Schiffen als Hilfe zur Überwindung von Höhenunterschiede über den gesamten, oft hunderte von Kilometern bzw. mehrere tausend Kilometer weiten Verlauf der Wasserstraße.

Besonders kritische Ereignisse sind gegeben, wenn während der Schneeschmelze zusätzlich große Niederschlagsmengen zu messen sind. Neben den großen Wassermassen, die aus den Hochgebirgen stammen, kommen die Niederschläge in erheblichem Maße hinzu. Lang anhaltender Niederschlag führt zur Sättigung des Bodens. Das Wasser kann nicht mehr versickern. Herrschen zudem noch tiefe Temperaturen – in den Frühlingsmonaten sind die Böden oft in geringer Tiefe noch gefroren – kann das Wasser nicht abfließen und kumuliert mit dem ohnehin hohen Pegelstand der Flüsse.

Die Wassermengen kann man nicht aktiv steuern! - Hier dominieren eindeutig die Natur und die meteorologischen Einflüsse. Beeinflussbar ist allerdings, ob Wasser eine Staustufe passieren kann oder nicht. Dies wird durch entsprechendes Öffnen oder Schließen der Wehre erreicht. Im Klartext bedeutet das, dass in einem begrenzten Ausmaß Teile der Wassermassen an den Staustufen aufgehalten werden können. Dies gibt den flussabwärts liegenden Regionen möglicherweise Zeit, Wassermengen auf dem natürlichen Weg abfließen zu lassen oder Überflutungsbereiche zu schaffen. Auch bietet die Regulierung an den Staustufen den flussabwärts gelegenen Regionen ein Zeitfenster, um Sicherungsmaßnahmen (Sandsack-Wälle oder Evakuierungen etc.) umzusetzen. Aufzuhalten ist das Wasser jedoch nicht. Dies zeigen immer wieder Hochwasserereignisse wie am Rhein bei Koblenz, das Jahrhunderthochwasser der Elbe und die Überflutungen der südösterreichischen Kleinstadt Lavamünd. Erst Ende des Jahres 2015 zeigten die verheerenden Zustände in Nordengland wie kompromisslos sich Einsparungen und zu knappe Bemessungen im Hochwasserschutz durch die Natur rächen können.

Das aus den Schmelzwasserquellen und/oder den Niederschlägen nachströmende Wasser füllt das Flussbett bei einem Hochwasser erheblich schneller als es abfließen kann. Ob nun Wehre zu öffnen oder zu schließen sind, ist meist eine lokale Entscheidung, deren Konsequenzen die Nachbarn zu tragen haben. Insbesondere wenn Gewässer Staatsgrenzen überschreiten, kann dies zu erheblichen Schwierigkeiten führen. Das Öffnen eines Wehres im Hochwasserfall bringt im Oberlauf eine Entlastung, weil das sich aufstauende Wasser rasch abfließen kann. Im Unterlauf kumulieren diese Wassermassen mit denen der dortigen Niederschlagsmengen sowie möglicherweise weiteren Zuflüssen und überfordern die flussabwärts gelegenen Deiche. Es kommt zu Überflutungen!

Staustufen – ganz gleich ob diese der Schifffahrt oder der Erzeugung elektrischen Stromes dienen – haben nur sehr begrenzte Einflussmöglichkeiten im Hochwasserschutz. Viel wichtiger sind Speicherbereiche, die die anfallenden Wassermengen aufnehmen und kontrolliert an den Unterlauf des Stromes abgeben können. Deiche und Wälle aus Sandsäcken sind nur begrenzt tauglich und eher als Notmaßnahme zu bewerten. Entscheidend ist die Schaffung natürlicher Überflutungsgebiete. In der Natur sind bestimmte Baumarten geeignet, auch schwere Fluten zu überstehen. Siedlungen und Städte können dies hingegen nicht und die entstehenden Schäden erweisen sich im Ernstfall als bedeutend teurer, als eine Renaturisierung von Uferzonen kosten könnte. Das Problem besteht jedoch in der Frage, wer die Kosten zu tragen hat: Renaturisierung und eventuelle Entschädigungen von Eigentümern in den betroffenen Gebieten gehen zu Lasten der Staatskassen von Länder und Gemeinden, möglicherweise des Bundes, wenn es Wasserstraßen erster Ordnung betrifft. Im Schadensfall, wenn die Katastrophen eingetreten sind, liegt die finanzielle Last bei Versicherungen, den betroffenen Personen und Firmen und bei der Spendenbereitschaft der Menschen. Diese Überlegung sei an dieser Stelle ohne weitere Wertung stehen gelassen.

(rs/12-2015)