Wasserkraft

Weltweit werden derzeit etwa 5% des Bedarfs an Primärenergie und 20% des Bedarfs an elektrischer Energie durch Wasserkraft gedeckt. Das nutzbare Potential an Wasserkraft ist jedoch 5 mal so groß, so dass Wasserkraftwerke einen wichtigen Beitrag zur Lösung des Weltenergieproblems leisten könnte.

Die Nutzung der Wasserkraft als saubere und emissionsfreie Form der Elektrizitätserzeugung blickt in Österreich auf eine jahrzehntelange Tradition zurück. Insgesamt deckt die Wasserkraft rund 70% der heimischen Stromerzeugung ab. Der Anteil am Gesamtenergieeinsatz liegt bei 13,4%.

Die verschiedenen Arten von Wasserkraftwerken:

Nach der Betriebsweise unterscheidet man Laufwasser- und Speicherwasser Kraftwerke. In einem Fall (Flüsse) wird die zur Verfügung stehende Energie des Wassers kontinuierlich, in anderen (Talsperre) nach Bedarf zur Stormerzeugung genutzt. Man kann die Wasserkraftwerke aber auch nach der Fallhöhe unterscheiden: Im Bereich bis etwa 25m spricht man von Niederdruckkraftwerken und über 100m von Hochdruckkraftwerken. Im Niederdruckbereich werden außer der Pelton-Turbine alle Turbinenkonstruktionen in sehr unterschiedlichen Einbauvarianten verwendet. Im Mitteldruckbereich verwendet man hauptsächlich senkrecht angeordnete Kaplan-Turbinen oder auch - je nach Wasserdurchfluss und Fallhöhe - Francis-Turbinen.

Wasserkraftwerke sind nicht gerade billig, aber robust und wartungsarm, so dass sie auf längere Sicht sehr rentabel arbeiten.

Turbinen

Speziell für geringen Wasserdruck entwickelte zu Beginn der 20er Jahre der österreichische Ingenieur Viktor Kaplan die nach ihm benannte Kaplan-Turbine. Ihr Laufrad gleicht einem Schiffspropeller, durch dessen verstellbare Schaufel die Wassermassen strömen und umgekehrt wie beim Schiffsantrieb, den Propeller betreiben. Das Leitwerk der Kaplan-Turbine lenkt die einströmenden Wassermassen so, dass sie parallel zur Welle der Turbine auf die drei bis sechs Schaufeln des Laufrades treffen. Sowohl die Laufradschaufel, als auch das Leitwerk sind verstellbar. Dies ermöglicht das Anpassen an Schwankungen der Wasserführung und des Gefälles.

Francis-Turbine: da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt spricht man von einer Überdruckturbine.

Pelton-Turbine: bei dieser wird ausschließlich die Bewegungsenergie des Wassers genutzt.

Rohr-Turbinen: sie wurden speziell für niedrige Fallhöhen gebaut.

Wasserkraftwerke in Österreich

Neben einer großen Zahl von Laufkraftwerken, deren bedeutendste sich an der Donau befinden, wurden in den westlichen Alpenregionen zahlreiche Speicherkraftwerke errichtet. Die dienen vor allem zur maßgeblichen Stormbedarfsdeckung in den Wintermonaten. In den Sommermonaten wird theoretisch der gesamte österreichische Strombedarf aus Wasserkraft gedeckt. Praktisch wird aber der generierte Spitzenstrom teilweise exportiert und ein Teil der Grundlast durch thermische Kraftwerke abgedeckt.

Bedeutung der Kleinwasserkraftnutzung in Österreich

Neben den Wasserkraftwerken der großen Energieversorgungsunternehmen existieren in Österreich eine Vielzahl kleiner und kleinster Kraftwerke. Eine Statistik, die all jene Kleinanlagen erfasst, die an das Netz von übergeordneten Versorgungsunternehmen angeschlossen sind, wies im Jahr 1998 1.690 Kleinwasserkraftwerke aus. Bezogen auf das gesamtösterreichische Jahresbeitragsvermögen aus Wasserkraft sind das immerhin 9%. Darüber hinaus dürften in Österreich noch rund 4.000 bis 5.000 weitere Kleinanlagen bestehen, die statistisch nicht erfasst sind, weil sie nicht an das öffentliche Netz angeschlossen sind.

Typisch für die österreichischen Kleinwasserkraftwerke ist ihre dezentrale Lage, häufig der unmittelbare Energieverbrauch in privaten und industriellen Strukturen, der Einsatz privaten Kapitals und der daraus resultierende lokale und regionale wirtschaftliche Effekt.

Seit dem Jahr 1997 werden die Revitalisierung ehemaliger, die Erweiterung bestehender und teilweise der Neubau von Anlagen bis zu einer Leistungsgrenze von 500 kW mit Investitionszuschüssen von 25% gefördert. Mit dieser Aktion soll ein neuer Anstoß zum Ausbau des vorhandenen Potentials und damit ein weiterer Beitrag zur Senkung der CO2 Emission geleistet werden.

Windenergie

Im Grunde gehört der wind zur Sonnenenergie; denn die Sonne erwärmt die Luftschicht der Erde. Durch lokale Erwärmugsunterschiede bilden sich dabei Zonen unterschiedlichen Luftdrucks, sogenannte Hoch und Tiefdruckgebiete. Die "Wind" genannten Luftbewegungen entstehen, wenn die Luft vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet strömt.

Das Windpotential der Erde entspricht etwa 2% der gesamten Sonneneinstrahlung bzw. 2 Millionen Terawattstunden jährlich (das sind 20 Billionen Kilowattstunden). auf die bewohnten Gebiete entfallen davon etwa 270 Millionen Gigawatt. Das ist immer noch ein Vielfaches des gesamten Weltbedarfs. Praktisch nutzbar ist freilich nur ein geringer Teil. Optimisten rechnen mit etwa 3%.

Wind ist eine kostenlose Energiequelle. Wir können sie nutzen, das heißt, in eine erwünschte andere Energieform überführen, wenn wir besondere, eigen auf die Luftströmung abgestimmte Windkonverter an geeigneten Orten aufstellen. Die meisten Windkonverter nutzen, wenn sie dem Wind Energie entnehmen, das gleiche physikalische Prinzip, das auch Flugzeuge in der Luft hält, indem ihre Tragflügel umströmt werden. Es heißt "Auftriebsprinzip".

Windenergie in Österreich

Obwohl Österreich ein Binnenland mit ausgeprägter Topographie ist, sind die meteorologischen Voraussetzungen zur Nutzung von Windenergie durchaus vorhanden. Messungen ergaben 6.600 bis 10.000 GWh technisch nutzbarer Windenergie in Österreich. Zwar ist nur ein Teil dieses Potentials auch wirtschaftlich und mit Rücksicht auf den Landschaftsschutz und auf Umweltaspekte nutzbar, doch zeichnet sich bereits eine erste positive Entwicklung in diesem Bereich ab. Galt die Windkraft noch vor kurzem als unzuverlässig und störanfällig, haben Weiterentwicklungen und moderne Computer- und Reglertechnik mittlerweile den Durchbruch gebracht. Besonders begünstigte Gebiete zur Gewinnung von Windenergie sind landwirtschaftlich genutzte Erhebungen des Alpenvorlandes in Salzburg, Oberösterreich, Niederösterreich sowie des Mühl-, Wald- und Weinviertels, das Nordburgenland und Teile des südlichen Niederösterreichs. Auch in der Bundeshauptstadt Wien häufig wehende Winde eignen sich für eine energetische Nutzung.

Die Grenzen der Windenergie:

Letzten Endes hängt es vom Wind ab, wann und wie viel Strom produziert wird. Schon aus diesem Grund können Windkonverter für die Stromversorgung nur eine ergänzende Funktion haben. Das gilt selbst für windreiche Länder wie Dänemark oder die Niederlande. Darüber hinaus müssen auch Fragen des Landschaftsschutzes beim weiteren Ausbau der Windenergie in Erwägung gezogen werden.

Aus physikalischen Gründen kann ein frei umströmtes Windrad höchstens 59% der Windenergie aufnehmen. Dies ist der theoretisch mögliche Wirkungsgrad. In der Praxis werden Werte von etwa 45% erreicht.

Sonnenenergie

Eine für unseren Energiebegriff unerschöpfliche Energiequelle ist die Sonne. Obwohl Sonnenenergie als eine neue oder unkonventionelle Energiequelle betrachtet wird, ist sie schon seit langer Zeit eingesetzt worden. Viele Jhd. lang wurde Salzlösung durch Verdunstung eingetrocknet, um Salz zu gewinnen.; ebenso wurden Landwirtschaftliche Produkte in der Sonne getrocknet. Die Menschen in den hochindustrialisierten Staaten begannen in den letzten Jahren, ihre Einstellung zur Umwelt, zu den Rohstoffen und zu den Energiereserven zu änderen. Aus dieser Haltung heraus, gefördert durch die hohen Energiekosten, bemühen sich verantwortungsbewusste Techniker, mit Energie besonders sparsam umzugehen. Ganz besonders bemüht man sich seit einigen Jahren, wieder Sonnenenergie zu gewinnen und zu nutzen.

Die Sonnenenergie ist ein "politisch sicherer" Energieträger, da Kontrolle und Eingriff von Außen in das Sonnenangebot nicht möglich ist. Auch eine Versorgungskrise durch einen möglichen Ausfall der Sonnenenergie scheidet aus. Die Nutzung der Sonnenenergie verringert den Verbrauch fossiler Brennstoffe.

Die Solarzelle

Man spricht von Photovoltaik, wenn die Energie des Sonnenlichtes mit Solarzellen in Strom umgewandelt wird. Von der Photovoltaik zu unterscheiden ist die solarthermische Stromgewinnung, die die Wärme der Sonne zur Erhitzung von Wasser oder eines anderen geeigneten Mediums verwendet, um die so gewonnene Energie wiederum in Strom zu verwandeln. Die Photovoltaik ist aber sicher die eleganteste Art, die Sonnenenergie in Strom umzuwandeln: Man braucht lediglich die Solarzellen dem Licht auszusetzen um an ihren Kontakten den elektrischen Strom abzugreifen. Die Solarzelle stellt sozusagen ein elektrisches Mini-Kraftfeld dar. Physiker haben errechnet das der Wirkungsgrad einer Solarzelle, je nach Material, theoretisch an die 30% betragen könnte. In der Praxis werden gegenwärtig etwa 13 bis 15% erzielt.

Solarenergie wird vor allem für folgendes genutzt:

Weltraumtechnologie

Betreibung von Elektro-Automobilen

Warmwasserbereitung

Raumheizung

Erwärmung der Wassertemperatur von Schwimmbädern

solarthermische Kraftwerke

photovoltaische Kraftwerke

Sonnenenergie in Österreich

Was die Verbreitung von thermischen Solaranlagen betrifft, liegt Österreich überraschenderweise hinter Griechenland an zweiter Stelle. Nach einem ersten Boom Ende der 70er Jahre und einem Markteinbruch in den 80er Jahren, wurde in den letzten Jahren doppelt soviel Kollektorenfläche installiert wie in den 15 Jahren davor. Der Anteil der thermischen Solarenergienutzung am Gesamtenergieeinsatz liegt zwar unter 1%, die jährlichen Zuwächse sind aber beachtlich. Der Einsatz von Solaranlagen trägt heuer jährlich mit über 70.000 t Heizöläquivalenz zur Schonung fossiler Energieträger bei.

Alleine in den Jahren 1987 bis 1996 wurden fast 84.000 Anlagen in Betrieb genommen. Ein Großteil dieser Anlagen dient zur Warmwasserbereitung und zur teilisolaren Raumheizung, der kleinere Teil wird für die Beheizung von Schwimmbädern eingesetzt.

Neben der zunehmenden thermischen Nutzung der Sonnenenergie finden sichin Österreich auch erste Beispiel für photovoltaische Anwendungen.

Grundprinzip der Kernspaltung

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Kernkraftwerke arbeiten nach dem Prinzip von kalorischen Kraftwerken, allerdings wird die Wärme zur Dampferzeugung nicht durch Verbrennung, sondern durch Kernspaltung gewonnen. Bestimmte Isotope (Atome mit gleicher Ordnung-, aber verschiedener Massenzahl) radioaktiver Elemente, wie das Uranisotop, können durch Neutronenbeschuss in zwei Atomkerne geringerer Masse (z.B.: Krypton und Barium) gespalten werden. Dies Spaltprodukte sind radioaktiv und zerfallen im Laufe der Zeit unter Abgabe von Strahlung in stabile Elemente. Durch die Spaltung eines schwereren Atomkerns in zwei leichtere Kerne wird Bindungsenergie in Form von Wärme abgegeben. Zusätzlich werden bei jeder Kernspaltung zwei bis drei Neutronen emittiert. Diese können nun ihrerseits weitere Kernspaltungen auslösen, wobei sich die Zahl der gespaltenen Atomkerne un der dabei entstehenden Neutronen explosionsartig vermehrt Kettenreaktion.

Absorbtion des Neutrons

Emission von Neutronen

Grenzen der Atomenergie

Bei der Kernspaltung entstehen zum Teil hochradioaktive, giftige Spaltprodukte (z.B.: Plutonium), die entweder einer Wiederaufbereitung oder einer Endlagerung zugeführt werden müssen. Die Endlagerung des Atommülls etwa in ehemaligen Salzbergwerken ist noch nicht völlig problemlos und stößt auf großen Widerstand in vielen Teilen der Bevölkerung.

Weiters hätte ein Atomunfall verherende Folgen. Unter dem größten anzunehmenden Unfall (GAU) in einem Kernkraftwerk versteht man das Durchschmelzen des Reaktordruckbehälters. Weiter Gefahren liegen im Austritt radioaktiver Substanzen durch Defekte im Kühlsystem.

Atomenergie in Österreich

In Österreich ist es aufgrund des Atomsperrgesetzes nicht möglich, Kernkraftwerke in Betrieb zu nehmen (Volksabstimmung 1978). Das einzige Atomkraftwerk in Zwentendorf ging niemals in Betrieb.

Mit etwa 46% Waldanteil zählt Österreich zu den dichtest bewaldeten Ländern Europas. Demgemäß weist der Einsatz von Biomasse bzw. Holz für die Raumheizung eine lange Tradition auf. Vor allem im ländlichen Raum hat Biomasse noch immer eine große Bedeutung. Der Anteil der Biomasse am Gesamtenergieeinsatz liegt bei rund 13%

Unter Biomasse versteht man alle Pflanzen, die zur Energiegewinnung genutzt werden können. Sie entsteht durch die Fotosynthese und wird durch das natürliche Wachstum und die Vermehrung ständig nachgebildet, solange nachhaltige Land- und Forstwirtschaft betrieben wird.

Biogas ist ein Gemisch, das vorwiegend aus Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) besteht. Sein Heizwert liegt im Bereich der Kohle. Biogas entsteht in der Natur in großen Mengen in Reisfeldern, in Sümpfen und im Magen der Wiederkäuer. Außerdem bildet es sich in Mülldeponien und Kläranlagen. Die technische Biogasgewinnung erfolgt in Faultürmen, wo unter anaeroben Bedingungen verschiedenste biogene Abfälle aus Landwirtschaft und Haushalten sowie Klärschlamm aus Kläranlagen durch bakterielle Zersetzung in Biogas umgewandelt werden.

Die Kohlendioxidbilanz ist wie bei der gesamten Biomasse ausgeglichen, durch die Verbrennung wird die Abgabe von Methan an die Atmosphäre verringert.

Eine Wärmepumpe entzieht Wärmeenergie einem Medium mit niedriger Temperatur und gibt sie an ein Medium mit höherer Temperatur wieder ab. Als Wärmequelle kommen Luft, Wasser und der Boden in Frage. Die Arbeitsweise einer Wärmepumpe ist der des Kompressorkühlsschranks sehr ähnlich: Ein flüssiges Arbeitsmittel wird im Verdampfer durch die Umgebungswärme verdampft, durch einen Kompressor wird es verdichtet, dabei erhöhen sich Druck und Temperatur. Anschließend wird im Kondensator die Wärme an das Heizwasser abgegeben, das Arbeitsmittel kondensiert wieder und gelangt in den Verdampfer zurück.

Die Leistung einer Wärmepumpe ist umso größer, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist. Nachteilig wirkt sich bei Wärmepumpen der Wärmeentzug und damit die Abkühlung der Umgebung aus.