Bio-Referat : Alternative Energiequellen
Wasserkraft
Weltweit werden derzeit etwa 5 % des Bedarfs an Primärenergie und 20 % des Bedarfs an elektrischer Energie aus Wasserkraft gedeckt. Das nutzbare Potential an Wasserkraft ist jedoch fünfmal so groß, so daß Wasserkraftwerke einen wichtigen Beitrag zur Lösung des Weltenergieproblems leisten können. Geographisch sind die Wasserkräfte allerdings sehr unterschiedlich verteilt: Rund zwei Drittel des auf der Erde nutzbaren Potentials an Wasserkraft liegen in Ländern der dritten Welt. Die größten Wasserkraftwerke - an der installierten Leistung gemessen - befinden sich durchweg außerhalb Europas: Die Rangliste führt neuerdings das brasilianische Kraftwerk ITAIPú am Parana mit einer Kapazität von 12600MW. Die weiteren Plätze belegen Anlagen in Nord- und Südamerika, Asien oder Afrika. Erst auf Platz 13 erscheint - als einziges europäisches Wasserkraftwerk unter den ersten 25 - Kuybischew an der Wolga mit 2563MW. Deutschland nutzt seine Wasserkräfte derzeit schon zu etwa 70 % für die Stromerzeugung. Das sind im Durchschnitt 18 Mrd. kWh jährlich. Die Elektrizitätswirtschaft schätzt, daß bis Anfang des nächsten Jahrtausends eine weitere Steigerung auf 20 Mrd. kWh jährlich möglich wäre. Rein technisch ließen sich noch etwa weitere 7 Mrd. kWh nutzen, doch müßten dann vielfach Gesichtspunkte des Landschaftsschutzes und auch betriebswirtschaftliche Überlegungen zurückstehen. Bei den Wasserkraftanlagen der öffentlichen Elektrizitätsversorgung in den alten Bundesländern bietet sich nach Art, Anzahl und Leistung folgendes Bild (Bild siehe letzten Seiten). Insgesamt verfügen die öffentlichen Elektrizitätserzeuger damit in den alten Bundesländern über 604 Kraftwerke, die mit einer installierten Leistung von 3728MW Strom aus natürlicher Wasserkraft erzeugen (die reinen Pumpspeicher-Kraftwerke ohne natürlichen Zufluß nicht mitgerechnet). Daneben gibt es noch 97 industrielle Eigenanlagen mit 225MW, 9 Wasserkraftwerke der Bundesbahn mit 189MW und schätzungsweise 3700 andere Eigenanlagen mit 376MW. Der Geographie entsprechend liegen die meisten Wasserkraftwerke im Süden Deutschlands: An der Donau mit ihren Nebenflüssen Iller, Lech, Isar und Inn, sowie an Rhein, Mosel, Neckar und Main. In den fünf neuen Bundesländern gibt es weniger Möglichkeiten zur Nutzung von Wasserkräften als im westlichen Teil. So wurden 1990 in den alten Bundesländern knapp 4 % der öffentlichen Stromversorgung durch Wasserkraftwerke bestritten, während im Osten der entsprechende Anteil nur bei 0,4 % lag, also zehnmal geringer war. Der Hauptgrund dafür ist in der Topographie zu suchen: Flüsse wie Elbe, Oder und Saale haben ein weniger günstiges Gefälle als Rhein, Main oder Donau. Insgesamt gibt es in den fünf neuen Bundesländern 7 größere Laufwasser-Kraftwerke (ab 1MW) mit einer installierten Leistung von 14,3MW, 1 Speicherwasser-Kraftwerk mit 0,7MW sowie 7 Pumpspeicherwerke (davon drei mit natürlichem Zufluß). Wasserkraftwerke sind nicht gerade billig, aber robust und wartungsarm, so daß sie auf längere Sicht sehr rentabel arbeiten.
Arten von Turbinen
Francis-Turbine: Bei der Francis-Turbine wird das Wasser durch ein feststehendes 'Leitrad' mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt spricht man auch von einer Überdruckturbine.
Pelton- oder Freistrahlturbine: Bei der Pelton- oder Freistrahlturbine wird ausschließlich die Bewegungsenergie des Wassers genutzt, das aus einer oder mehreren Düsen auf die becherförmigen Schaufeln des Laufrads trifft. Da das Antriebswasser nach dem Austritt aus der Düse auf Umgebungsdruck entspannt wird, spricht man auch von einer Gleichdruck-Turbine. Die Pelton-Turbine wird in Wasserkraftwerken mit sehr hohen Fallhöhen (bis 1800m) bei vergleichsweise geringen Wassermengen eingesetzt. Sie ist typisch für Speicherwasser-Kraftwerke im Hochgebirge.
Ein Nachteil von Fourneyrons Reaktions-Turbine war, daß sich beim Übergang des Wassers aus dem innen angebrachten Leitwerk in den Schaufeln des Laufrads Turbulenzen ergaben, die bremsende Wirkung hatten. 1837 kam der Deutsche Karl Anton Henschel auf die Idee, dies zu vermeiden, indem er die Leitschaufeln oberhalb des Laufrads statt in dessen Zentrum anordnete. Weitere Verbesserungen ersannen der Amerikaner Samuel B. Howd, der 1838 das Laufrad ins Innere des Leitwerks verlegte, sowie der Engländer James Thomson, der verstellbare Leitschaufeln und gekrümmte Laufradschaufeln einführte. 1849 konstruierte der anglo-amerikansiche Ingenieur James B. Francis auf diesen physikalischen Grundlagen eine auch technisch verbesserte Turbine, die einen Wirkungsgrad von rund 90 % erreichte. Von ihm hat die Francis-Turbis ihren Namen, die heute die verbreitetste und am universellsten verwendbare Turbinenart ist. Die größten Francis-Laufräder erreichen ein Gußgewicht von ca. 150 t und eine Leistung von über 700MW. Die Francis-Turbine kann auch als Pumpe arbeiten. Dies macht man sich in den Pumpspeicher-Kraftwerke zunutze, wo eine Francis-Turbine und der Generator häufig zu sog. Pumpturbine vereinigt sind, die sich wahlweise auf (stromverbrauchenden) Pumpbetrieb oder (stromerzeugend) Generatorbetrieb umstellen läßt.
Kaplan-Turbine: Für geringe Wasserdrücke bei großen Durchflüssen wurde aus der Francis-Turbine die Kaplan-Turbine entwickelt. Bei ihr lassen sich sowohl die Schaufeln des Laufrads wie auch die des Leitwerks verstellen. Das Laufrad gleicht einem Schiffspropeller. Weiterentwicklungen sind die Rohr-Turbine für besonders geringe Fallhöhen und die Straflo-Turbine, bei der der Generator und Turbine eine Einheit bilden. Speziell für geringe Wasserdrücke entwickelte zu Beginn der zwanziger Jahre der österreichische Ingenieur Viktor Kapla die nach ihm benannte Kaplan-Turbine. Ihr Laufrad gleicht einem Schiffspropeller, durch dessen verstellbare Schaufeln die Wassermassen strömen und - umgekehrt wie beim Schiffsantrieb - den Propeller antreiben. Das Leitwerk der Kaplan-Turbine lenkt die einströmende Wassermassen so, daß sie parallel zur Welle der Turbine auf die drei bis sechs Schaufeln des Laufrads treffen. Sowohl die Laufradschaufeln als auch das Leitwerk sind verstellbar. Dies ermöglicht das Anpassen an Schwankungen der Wasserführungen und des Gefälles. Große Kaplan-Turbinen werden vor allem vertikal eingebaut, so daß das Wasser von oben nach unten durchströmt. Die äußerst schnellaufende Turbine weist in einem weiten Belastungsbereich einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 % auf.
