So funktioniert ein Wasserkraftwerk

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Weltweit wird über Wasserkraftwerke rund 24 Prozent des weltweiten Stroms produziert. Das reicht aus um eine Milliarde Menschen mit Ökostrom zu versorgen. Wenn man die gesamten Wasserkraftwerke auf der Welt zusammenführt, bekommen wir 675000 Megawatt an Strom heraus, was laut National Renewable Energy Laboratory, der Menge von 3,6 Tonnen Erdöl entspricht.

In Deutschland sind momentan rund 7300 Wasserkraftwerke aktiv und sie tragen mit 2,1 Prozent zum Strommix in Deutschland bei. Wichtigste erneuerbare Quelle in Deutschland bleibt aber nach wie vor die Solarenergie.

In diesem Artikel werden wir sehen, wie fallendes Wasser Strom erzeugt und mehr über den Wasserkreislauf herausfinden, der nötig ist um Strom zu gewinnen. Außerdem bekommst du einen Einblick auf eine Anwendung, die auch du zu Hause nutzen kannst, um Strom zu gewinnen.

 

Die Kraft des Wassers

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Wenn man sich einen Fluss betrachtet, kann man sich nur schwer die Kraft vorstellen, die nötig ist, um solch eine Wassermenge zu transportieren. Falls du mal Wildwasser-Rafting gemacht hast, hast du wahrscheinlich einen kleinen Bruchteil der Kraft gespürt. Wildwasserschnellen, die Teil des Flusses sind, befördern eine große Menge Wasser den Berg herunter. Muss der Fluss durch eine schmale Stelle, fließt er durch den enormen Druck noch schneller. Fluten sind auch ein Beweis dafür, wie stark eine große Menge Wasser sein kann.

Wasserkraftwerke ernten die Wasserenergie und verwandeln sie mit einfachen Methoden zu Strom. Wasserkraftwerke basieren daher auf einem eher einfachen Konzept – Wasser fließt durch denn Damm und eine darin befindliche Turbine wird aktiviert, die wiederum den Elektro-Generator in Bewegung bringt. (Quelle)

Hier sind einige Basiskomponenten eines konventionellen Wasserkraftwerks:

  • Damm: Die meisten Wasserkraftwerke brauchen einen Damm, der Wasser zurückhält und dadurch ein großes Reservoir schafft. Das Wasser wird derweil im Becken gespeichert, was durchaus noch einen Zweck hat – so wird etwa der Lake Roosevelt am Grand Coulee Damm in Washington als Badesee benutzt.
  • Einlasskanal: Sobald die Tore des Damms sich öffnen, wird Wasser automatisch durch Gravität in die Druckrohrleitung gezogen. Die Druckrohrleitung ist Rohr, welches zu der Turbine führt.
  • Turbine: Sobald das Wasser die Turbine erreicht, sorgt der Druck dafür, dass diese in Gang gesetzt wird. Die Turbine ist mit den Generator verbunden. Üblicherweise wird eine Francis Turbine bei den meisten Wasserkraftwerken eingesetzt. Sie sieht aus wie eine große Scheibe und hat gekrümmte Schaufeln. Eine Turbine kann run 172 Tonnen schwer sein und eine Geschwindigkeit von 90 Umdrehungen pro Minute erreichen.
  • Generator: Sobald die Schaufeln der Turbine sich bewegen, bewegen sich eine Reihe von Magneten im Generator auch. Riesige Magneten gehen an Kupferspulen vorbei und erzeugen dadurch Wechselstrom, indem sie Elektronen zum Schwingen bringen.
  • Trafo: Im Dynamo befindet sich auch ein Trafo, der den Wechselstrom in Starkstrom wandelt.
  • Stromleitungen: Aus jedem Wasserkraftwerk kommen 4 Kabel heraus: drei davon beinhalten den gerade hergestellten Strom und eines dient zur Erdung.
  • Abfluss: Benutztes Wasser wird durch Rohe befördert und flussabwärts wieder in den Fluss geführt.

Das Wasser im Reservoir wird als gespeicherte Energie betrachtet. Sobald die Tore sich öffnen und das Wasser durch die Rohre befördert wird, handelt es sich um kinetische Energie, weil sie in Bewegung ist. Die Menge des Stroms, die hergestellt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zwei der Faktoren sind Wasserdurchflussmenge und Förderhöhe. Die Höhe ist wichtig, weil es die Entfernung zwischen der Wasseroberfläche und der Turbine ist. Je nachdem, wie hoch die Förderhöhe ist, wird auch die Menge des gewonnenen Stroms beeinflusst. Die Förderhöhe hängt meist auch von der Wassermenge im Reservoir ab.

Die einfachen Anfänge
Der Höhepunkt der Wasserkraftwerke war Mitte des 20-sten Jahrhunderts. Die Idee, Wasser als Stromquelle zu benutzen, ist aber einige Jahrtausende alt. Ein Wasserkraftwerk ist im Grunde genommen ein überdimensioniertes Wasserrad. Schon vor 2000 Jahren benutzten die Griechen Mühlen, die mit Wasserkraft betrieben wurden, um Weizen in Mehl zu verwandeln. Diese antiken Wasserräder sind mit den heutigen Turbinen vergleichbar. Sie kommen auch in Bewegung, sobald sie vom Wasser getroffen werden.

Pumpspeicherkraftwerke

pumpspeicherkraftwerkEs gibt noch eine andere Art Wasserkraftwerk, nämlich das Pumpspeicherkraftwerk. Bei einem Wasserkraftwerk fließt das Wasser aus dem Reservoir durch das Kraftwerk und wird am anderen Ende wieder in den Fluss gelassen. Ein Pumpspeicherkraftwerk hat zwei Reservoirs:

  • Das obere Reservoir: Wie bei einem klassischen Wasserkraftwerk, bildet der Damm das Becken, oder das Reservoir. Das Wasser fließt durch das Kraftwerk um Strom zu produzieren.
  • Das untere Reservoir: Das Wasser, das eigentlich wieder in den Fluss gelassen wird, kommt zurück hierher.

Durch eine reversible Turbine kann das Kraftwerk das Wasser zurück zum oberen Reservoire befördern. Im Grunde genommen füllt das untere Reservoire das Obere wieder auf. Durch das Hochpumpen des Wassers kann das Kraftwerk noch mehr Strom produzieren, was bei hoher Netzauslastung wichtig ist.

Der Generator

Das Herz des Wasserkraftwerks ist der Generator. Die meisten Wasserkraftwerke haben davon gleich mehrere.

Der Generator produziert, wie du dir bestimmt schon denken kannst, Strom. Der Prozess läuft wie folgt ab: das Wasser versetzt eine Reihe von Magneten in der Kupferdrahtspule in Bewegung. Dies bringt Elektronen in Bewegung, die dann Strom herstellen.

Der Hoover Damm beispielsweise hat insgesamt 17 Generatoren. Jeder von Ihnen kann bis zu 133 Megawatt produzieren. Die Gesamtkapazität des Damms beträgt 2074 Megawatt. Jeder der Generatoren besteht aus bestimmten Basiskomponenten:

  • Welle
  • Stator
  • Rotor
  • Erregermaschine

Sobald sich die Turbine dreht, schickt die Erregermaschine elektrischen Strom an den Rotor. Der Rotor ist eine Reihe von Elektromagneten, die sich sich in der Kupferdrahtspule bewegen. Die Kupferdrahtspule wird auch Stator genannt. Das Magnetfeld zwischen der Spule und den Magneten produziert den elektrischen Strom.

Im Hoover Damm werden 16500 Ampere Strom vom generator zum Transformer geleitet, wo die Stärke auf 230000 Ampere vergrößert wird, bevor der Strom dann zur Übertragung bereit steht.

Der Wasserkreislauf

wasserkreislauf-erklärung

Wasserkraftwerke nutzen einen natürlich vorkommenden und kontinuierlichen Prozess. Den Prozess, der es regnen lässt und der die Wasserstände der Flüsse erhöht. Jeden Tag verliert die Welt ein wenig Wasser durch die Atmosphäre, weil ihre Moleküle von UV-Strahlung getrennt werden. Gleichzeitig wird aus dem Erdinneren, wegen vulkanischer Aktivität, Wasser auf die Erdoberfläche getragen. Die Menge ist dabei etwa die Gleiche.

Das Wasser auf der Erde ist in verschiedenen Formen verfügbar. Es kann flüssig sein wie in Flüssen oder unseren Meeren. Es kann aber auch fest sein, wie bei Eisgletschern oder gasförmig und unsichtbar, etwa als Dampf in der Luft. Das Wasser ändert seine Zustände, weil es von Winden immer in Bewegung gehalten wird. Windströmumgen entstehen durch die Sonnenwärme, weil sie am Äquator stärker scheint als sonstwo auf der Welt.

Der Wind befördert das Wasser auf der Erde und dies hat einen festen Kreislauf, der Wasserkreislauf genannt wird. Sobald Wasser durch Sonnenwärme erwärmt wird, verdampft es und schwebt in der Luft. Die Luft wird dabei ebenfalls erwärmt, weshalb sie höher in die Atmosphäre steigt. Da es oben in der Atmosphäre recht kalt ist, kondensiert das Wasser und es bilden sich Tröpfchen. Bilden sich genügend Tröpfchen in einem Gebiet und werden sie zu schwer, kommt es zum Niederschlag (Regen).

Der Wasserkreislauf ist für Wasserkraftwerke außerordentlich wichtig, da sie vom Wasserfluss abhängig sind. Falls es um das Kraftwerk zu wenig regnet, kann kein Druck erzeugt werden, weniger Wasser fließt durch das Kraftwerk und weniger Strom wird produziert.

Hast du gewusst?
  • Das größte Wasserkraftwerk der Welt ist das Itaipu Power Plant, das von Brasilien und Paraguay gemeinsam betrieben wird. Es kann bis zu 12600 Megawatt produzieren.
  • Das zweitgrößte Wasserkraftwerk ist das Guri Power Plant beim Caroni Fluss in Venezuela. Es kann bis zu 10300 Megawatt produzieren.
  • Deutschlands größtes Wasserkraftwerk ist ein Pumpspeicherkraftwerk im thüringer Goldisthal.

Wasserkraft in Schuhen

wasserkraftwerk-im-schuhDie Basisidee, die hinter Wasserkraft steckt ist die Beförderung einer sich bewegenden Flüssigkeit, die Turbinen in Bewegung versetzt. Normalerweise muss ein großer Damm bei einem Fluss gebaut werden um diese Funktion zu bewerkstelligen. Eine neue Erfindung macht die Gewinnung von Strom durch Wasserkraft jetzt im Kleinformat möglich.

Der Erfinder Robert Komarechka aus Ontario in Kanada hatte die Idee kleine Wasserkraftgeneratoren in Schuhsolen einzubauen. Er ist sich sicher, dass die Wasserkraft genügend Strom produzieren würde um Gadgets wie Smartphones problemlos aufzuladen. Im Mai 2001 hat Komarechka ein Patent auf seine Erfindung bekommen.

Unsere Gehweise basiert auf einem ganz einfachen Prinzip: der Fuß trifft erst mit der Ferse auf und bewegt sich dann beim Laufen Richtung Zehen. Beim Aufkommen des Fußes entsteht Kraft und diese Kraft wird auf den anderen Fuß beim „Abrollen“ übertragen. Komarechka hat das Prinzip ganz genau analysiert und eine Methode gefunden, die genutzt werden kann, um Strom zu bekommen.

Fünf Bestandteile aus dem Patent sorgen für die gewünschte Funktion

  • Flüssigkeit – das System benutzt eine elektrisch leitende Flüssigkeit.
  • Beutel mit Flüssigkeit – ein Beutel befindet sich in der Ferse und einer bei den Zehen.
  • Rohrleitung – jeder Beutel wird mit Rohrleitungen mit dem Generator verbunden.
  • Turbine – Während Wasser in den Schuhen vor und zurück bewegt wird, bewegt es die Schaufeln der Turbine.
  • Mikrogenerator – Der Generator befindet sich zwischen den beiden mit Flüssigkeit gefüllten Beuteln. Er enthält einen Flügelrotor, der die Welle antreibt und diese schaltet den Generator ein.

Während eine Person geht oder läuft, wird Druck auf beide Säcke ausgeübt, die das Wasser dann durch das Generatormodul presst. Wird weitergelaufen, entsteht auf diese Weise regelmäßiger Druck und die Bewegung schafft es elektrische Energie, also Strom, zu produzieren.

Eine externe Buchse leitet den Strom mit Kabeln an das Gerät, das Strom benötigt. Eine weitere Einheit, die den Stromfluss kontrollieren soll, findet am Gürtel des Trägers Platz. Ein Gerät kann anschließend an die Einheit angeschlossen werden und wird dann kontinuierlich mit Strom versorgt.

„Mit der steigenden Zahl an batteriebetriebenen tragbaren Geräten“, steht es im Patent, „gibt es Bedarf an einer langfristigen, anwendbaren und effizienten elektrischen Quelle“. Komarechka erwartet, dass seine Erfindung Laptops, Smartphones, CD Player und GPS Empfänger mit Strom versorgen wird.

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Manfred Strecker ist Politikwissenschaftler und Mitglied bei Greenpeace. Manfred untersucht seit seinem Jugendalter Möglichkeiten, die Umwelt nachhaltig durch Technologie zu verbessern und schreibt darüber auf Energieinitiative.org .
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2 Kommentare

  1. Beim Wildwasserrafting, wie ihr es erwähnt habt, bekommt man wirklich einen guten Überblick über die Kraft der Natur und des Wassers. Würde es jedem mal empfehlen.

    Den Beitrag finde ich übrigens herausragend. Noch habe ich im deutschen Internet keinen Ähnlichen gefunden.

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