Wasserkraft

Wasserkraft wurde bereits um 300 v.Chr. zum Antrieb von Mühlen, Sägewerken und anderen Handwerksbetrieben genutzt. Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts kam man auf die Idee, Wasserkraft für Stromerzeugung zu nutzen. Die Bayrischen Elektrizitätswerke betreiben beispielsweise entlang der Flüsse Lech, Iller, Wertach, Günz und Donau sogenannte Laufwasserkraftwerke.

Ein großes Problem regenerativer Energiequellen ist deren zeitliche Verfügbarkeit. Im Gegensatz zu Wind und Sonne speisen Laufwasserkraftwerke aufgrund eines relativ gleichmäßigen Wasserflusses konstant in das Stromnetz ein.

Außerdem werden Speicherkraftwerke dazu eingesetzt, um elektrische Energie in Form von potentieller Energie zu speichern. Während starker Niederschläge und in Zeiten der Schneeschmelze werden große Wassermassen in Staubecken angesammelt, um diese dann bei Bedarf in elektrische Energie umzuwandeln.

Pumpspeicherkraftwerke, eine spezielle Art der Speicherkraftwerke, nutzen kostengünstigen Strom, um Wasser von einem tiefgelegenen Wasserreservoir in ein höhergelegenes zu pumpen. Bei Bedarf wird das Wasser durch Rohre wieder nach unten geleitet. Unten angekommen treibt das Wasser einen Turbinen-Generator-Strang an. Der Strom wird wieder an unser Stromnetz abgeben. Weitere Vertreter der Wasserkraftnutzung zur Energiegewinnung sind Gezeitenkraftwerke und Wellenkraftwerke.

Der Anteil der Wasserkraft am Energiemix der Netto-Stromerzeugung in Deutschland beträgt derzeit in etwa 3,8%.

Förderung
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) hat lange Zeit die Wasserkraft vernachlässigt. Erst 2003 wurden große Wasserkraftanlagen >150 MW berücksichtigt. Dies führte dazu, dass bereits vorhandene Wasserkraftwerke modernisiert wurden. Dadurch können diese rentabler betrieben werden, indem man sie beispielsweise höher staut.

Grundsätzlich wird bei Wasserkraftwerken die Strömungsenergie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt. Folgende Faustformel kann zur Leistungsabschätzung verwendet werden:

Fallhöhe [m] × Wassermenge [m³/s] × 7 = elektr.Leistung [kW]

Aus dieser Formel wird ersichtlich, dass eine entsprechende Fallhöhe sowie eine ausreichende Wassermenge zur sinnvollen Stromerzeugung notwendig sind. Um dies technisch realisieren zu können, bestehen Wasserkraftanlagen in der Regel aus den folgenden Bestandteilen:

1. Wehranlage
2. Turbine oder Wasserkraftschnecke
3. Generator
4. Wechselrichter

Mit einer Wehranlage, die quer zur Strömungsrichtung des Flusses angebracht wird, wird das fließende Wasser angestaut. Dadurch erhöht sich die Fallhöhe des Wassers. Mit dem Wehr können neben dem Wasserstand auch die Wassermenge, die zu den Turbinen fließt, reguliert werden.

Die Turbinen kann man in Francis-, Kaplan- und Pelton-Turbinen unterteilen. In Laufwasserkraftwerken werden aufgrund der relativ geringen verfügbaren Fallhöhe häufig Kaplan-Turbinen eingesetzt. Diese funktionieren wie eine Schiffsschraube. Sie werden durch den dynamischen Auftrieb angetrieben. Kaplan-Turbinen eignen sich für große Wassermengen und geringe Fallhöhen.

Die Francis-Turbinen eignen sich für mittlere Fallhöhen und mittlere Wassermengen. Die Francis-Turbine hat den Vorteil, dass sie auch als Pumpe eingesetzt werden kann. Dadurch kommt sie oft bei Pumpspeicherkraftwerken zum Einsatz.

Eine moderne Ausführung des Wasserrades älterer Wassermühlen ist die Pelton-Turbine. Sie ist für große Fallhöhen und geringe Wassermengen geeignet. Pelton-Turbinen stellen den weitaus geringsten Anteil dar.

Wasserkraftschnecken sind robust und einfach konstruiert. Sie werden für kleinere Wasserkraftwerke <1MW Leistung eingesetzt. Der Generator ist über eine Welle mit der Turbine verbunden. Dieser wandelt die Drehbewegung mittels Induktion in elektrische Energie um. Der Wechselrichter sorgt dafür, dass der elektrische Strom mit einer Frequenz von 50 Hertz in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.

Die größte Wasserkraftanlage der Welt befindet sich in China. Sie ist Bestandteil der Drei-Schluchten-Talsperre in der Provinz Hubei mit einer installierten Generatorleistung von 22,4 Gigawatt.

Umwelt
Beim Bau von Wasserkraftwerken kommt es oft zu markanten Einschnitten in die Natur. So werden natürliche Gewässer wie Flüsse oder Seen durch Wehranlagen oder Staudämme verändert. Dies hat oft negative Auswirkungen auf die jeweilige Tier- und Pflanzenwelt. So verhindern Wasserkraftwerke zum Beispiel die Fischwanderung. Flussabwärts können die Fische durch die Gitter im Zulauf und durch die Turbinen gelangen. Dabei werden sie jedoch oft verletzt oder sogar getötet. Flussaufwärts ist eine Fischwanderung unmöglich. Sogenannte Fischwanderhilfen müssen in Deutschland dieses Problem beseitigen und sollten beim Neubau bzw. Modernisierung von bereits vorhandenen Wasserkraftwerken berücksichtigt werden.

Solarenergie

Mit der direkten Nutzung der Sonne wäre es möglich, den Energiebedarf einer auch noch zunehmenden Bevölkerung zu decken. Es gibt drei gängige Methoden, die Energie der Sonne zu gewinnen:

Solarkollektoren
Solarkollektoren beruhen auf dem Prinzip, dass sich jeder Stoff, der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, erwärmt. Die Strahlung der Sonne wird in Wärme umgesetzt, um Wasser für den täglichen Gebrauch zu erwärmen. Dabei fließt ein Wärmeträgermedium, wie zum Beispiel ein Glykol-Wasser-Gemisch, durch abgedeckte, schwarze Kunststoff- oder Metallröhren, die Absorber genannt werden. Nach diesem Vorgang kann die so erhitzte Luft oder das so erhitzte Wasser durch Fußboden- oder Wandflächenheizungen gepumpt werden, um so Raumwärme zu erzeugen.

Für die Warmwasserversorgung eines Vierpersonen-Haushalts werden fünf Quadratmeter Kollektorfläche benötigt, um das Wasser auf bis zu 80 Grad Celsius zu erhitzen. Allerdings wären für eine Raumheizung weitere zehn Quadratmeter Kollektorfläche notwendig.

Sonnenkraftwerke
Diese Kraftwerke nutzen den Effekt, dass hohe Temperaturen entstehen, sobald man Sonnenstrahlung mit Hilfe eines Glases oder Spiegels bündelt. Die Spiegel sind dazu in der Lage, dem Lauf der Sonne zu folgen, damit die Strahlung immer senkrecht auf die Oberfläche trifft. So kann das Kraftwerk immer voll ausgenutzt werden, ohne dass Energie verloren geht. Es gibt drei verschiedene Arten dieser Sonnenkraftwerke:

• Scheiben-Konzentratoren besitzen einen Durchmesser von etwa zehn bis zwanzig Meter und bündeln die Strahlung in einem Brennpunkt, in dem sich ein Behälter mit Flüssigkeit oder Gas befindet, das bis auf 1000 Grad Celsius aufgeheizt werden kann. Dieser erhitzte Stoff betreibt daraufhin eine Turbine mit Generator, der eine Leistung von bis zu 100 Kilowatt erzeugen kann.
• Die heutzutage deutlich verbreiteteren Zentral-Empfänger-Systeme besitzen hunderte von Spiegeln, die die Strahlung auf das 1000-fache bündeln und somit deutlich effektiver sind. Sie erzeugen in einem circa 100 Meter hohen Turm, der Brennpunkt genannt wird, Temperaturen bis zu 1500 Grad Celsius. Dadurch werden Öl, Natrium, Salz oder Luft erhitzt, die wiederum mit Hilfe einer Turbine einen Generator antreiben.
• Parabol-Rinnen-Konzentratoren erhitzen ebenfalls Flüssigkeiten in einem Rohr in der Brennlinie eines 150 Meter langen Spiegels. Die Erzeugungskosten liegen mit 10 bis 15 Cent pro Kilowattstunde zwar über den Kosten der konventionellen Kraftwerke, jedoch unter den Kosten von Photovoltaik-Anlagen.

Solarthermische Kraftwerke sind vor allem in den Gegenden rentabel, in denen die Strahlungsleistung hoch ist und es ausreichend Sonnenstunden gibt. Eine Sonnenstunde wird als 120 Watt pro Quadratmeter definiert.

Solarzellen und Photovoltaik
Mitte des 19. Jahrhunderts wurde ein Effekt entdeckt, der es ermöglichte, Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Dieser sogenannte photoelektrische Effekt benötigt keinen Umweg über Wärme oder mechanische Energie, wie es bei Solarkollektoren oder solarthermischen Kraftwerken der Fall ist.

Die Strahlung trifft auf elektrisch leitendes Material, wie zum Beispiel eine Siliziumscheibe, die in ihren beiden Hälften Aluminium- beziehungsweise Phosphoratome enthält. Dadurch entsteht eine „Raumladungszone“, die unten negativ und oben positiv geladen ist. Mit Hilfe von Sonneneinstrahlung werden die Siliziumatome ionisiert und positive und negative Ladungen werden getrennt. Zwischen den positiven und negativen Ladungen entsteht nun eine elektrische Spannung, die an der Oberfläche abgegriffen werden kann. Die maximale Stromstärke beträgt dabei in der Regel für eine 1 Quadratdezimeter große Fläche bei einer Bestrahlung mit 10 Watt etwa 1 Ampere.

Würde man in Deutschland alle brauchbaren Dachflächen für Photovoltaik-Anlagen ausnutzen, könnte man so ein Viertel unseres gesamten Strombedarfs decken. Auch wenn die Kosten für den Strom aus Solarzellen immer noch höher sind als der aus konventionellen Kraftwerken, so sinken die Preise jedoch von Jahr zu Jahr.

Windkraft

Windkraft wird seit dem 19. Jahrhundert zur Stromerzeugung genutzt. Dabei wird die Windenergie in elektrische Energie umgewandelt.
Bei Windkraftanlagen unterscheidet man zwischen Offshore und Onshore Windparks. Offshore Anlagen werden im Meer errichtet, wogegen die Onshore Anlagen auf dem Land errichtet werden. Offshore Anlagen werden wegen der besseren Windverhältnisse bevorzugt, jedoch bringt genau dieser Standort auch etliche Nachteile mit sich. Die Fixierung am Meeresgrund sowie die Wartung der Anlagen sind wesentlich aufwändiger. Eine weitere große Herausforderung von großen Offshore Windparks ist die Verteilung des erzeugten Stroms auf das Festland.

Komponenten einer modernen Windkraftanlage

• Der Turm befestigt die Gondel und die Rotorblätter in der gewünschten und für eine Windkraftanlage notwendigen Höhe. Die Effizienz der Anlage steigt mit deren Höhe. Zum einen weht ab einer Höhe von 100 m der Wind weniger turbulent und somit schneller, zum anderen können die Windkraftanlagen mit einem größeren Rotordurchmesser ausgestattet werden.
• Die im Wind drehbare Gondel sitzt auf dem Turm der Windkraftanlage. In der Gondel sind alle wichtigen Bauteile des Antriebsstranges untergebracht. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Getriebe, einer Bremse und einem Generator.
• Diverse Messinstrumente für Windstärke und Windrichtung befinden sich meist auf der Gondelrückseite.
• Der Generator wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie um. Der erzeugte Strom muss durch sogenannte Wechselrichter auf die 50 Hertz unseres Stromnetzes transformiert werden, um eine sichere Einspeisung zu gewährleisten.
• Moderne Windkraftanlagen werden mit drei Rotorblättern ausgestattet. Diese sind im 120° Winkel auf der Nabe fixiert. Mit Hilfe der Blattverstellung lassen sich diese auf der Nabe drehen.
• Die Rotorblätter werden mit Hilfe der Gondel in Windrichtung gedreht, um den Wind optimal ausnutzen zu können. Sie sitzen auf der Nabe und haben einen Durchmesser von bis zu 150 Meter.

Wie funktioniert eine Windkraftanlage?
Windkraftanlagen nutzen den gleichen Effekt wie Flugzeuge. An einem von Wind umströmten Flügel- bzw. Rotorprofil werden unterschiedliche Drücke an deren Ober- und Unterseite erzeugt. Dieser Druckunterschied erzeugt einen aerodynamischen Auftrieb. Dieser lässt Flugzeuge vom Boden abheben oder dreht die Rotorblätter einer Windkraftanlage. Unterschiedliche Windgeschwindigkeiten werden bei modernen Windkraftanlagen durch die sogenannte Pitch Regelung kompensiert. Diese Regelung führt die an der Nabe drehbar gelagerten Rotorblätter den Windbedingungen nach, so dass die Anlage immer mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Moderne Windkraftanlagen fangen bereits bei einer Windgeschwindigkeit von 11km/h an zu drehen. Bei 50km/h erreichen sie ihre volle Leistung. Ab 90 km/h werden die Anlagen aus Sicherheitsgründen abgeschaltet. Die Flügel werden aus dem Wind gedreht und bleiben stehen.

Wichtige Kriterien beim Bau von Windkraftanlagen

• Die Höhe der Anlage ist ausschlaggebend für deren Effizienz.
• In Bayern gilt seit 2014 die zehn H Regel. Demnach muss der Abstand einer Windkraftanlage zu einem Wohngebiet mindestens zehnmal so weit sein, wie die Anlage hoch ist. Bei einem 200 Meter hohen Windrad entspricht das einem Radius von 2 Kilometern. Auch aufgrund dieser Regel ist es in der Region Augsburg zu einer Stagnation beim Ausbau der Windkraft gekommen.
• Der Standort der Anlage entscheidet wesentlich über deren Effizienz: Hindernisse wie Wälder, Berge oder Gebäude bremsen den Wind ab. Deswegen wäre eine freie Fläche, wie z.B. das Meer, der ideale Standort für eine Windkraftanlage. Allerdings schädigt die durch die Verankerung der Windräder im Meer verursachte Schallbelastung das Gehör von Meerestieren (z.B. Wale), welche dadurch vertrieben werden. Zudem sind die Windverhältnisse innerhalb Deutschlands unterschiedlich. Aufgrund dieser unterschiedlichen Windverhältnisse werden die großen Windparks vorwiegend in Norddeutschland errichtet. Große Offshore Parks werden in der Nord- und Ostsee gebaut. So ist der Windpark „Global Tech I“ in der Nordsee auf einer Fläche von 41 km² einer der größten Windparks in Deutschland. Er besteht aus 80 Windkraftanlagen, die jährlich circa 1,4 TWh Strom erzeugen. Damit kann er 445.000 Haushalte mit Strom versorgen und vermeidet so circa 1 Million Tonnen CO2 Ausstoß.
  In Bayern sind Windparks mit circa 2-3 Windkraftanlagen üblich. So stehen in der Gemeinde Baar (Landkreis Aichach-Friedberg) zwei Windkraftanlagen des Typs Nordex N117/3. Diese versorgen 3.750 Haushalte. Man bräuchte 240 Windkraftanlagen des Typs N117/3 in Baar, um genauso viel Strom zu erzeugen wie die 80 Windkraftanlagen in der Nordsee. Dies liegt in erster Linie an den schlechten Windverhältnissen in Bayern. Dadurch wird ersichtlich, dass der Standort der Anlage ein sehr wichtiger Gesichtspunkt ist.

Windkraft und E-Mobilität
In Deutschland sind circa 43 Millionen Fahrzeuge zugelassen. Ein Tesla S oder ein BMW i3 beispielsweise benötigt auf 100 km circa 17 kWh. Bei einer mittleren jährlichen Fahrleistung von 12.000 Kilometern würden 43 Millionen E-Fahrzeuge circa 88 TWh Strom im Jahr verbrauchen. Zur Versorgung dieser Fahrzeuge bräuchte man circa 60 Windparks der Größe von Global Tech I.

Biogas

Die Biomasse ist wohl der mit Abstand am längsten genutzte Energieträger. Entwicklungsländer decken auch heute noch etwa 90 Prozent ihres Energiebedarfs durch sogenannte traditionelle Biomasse. Mit Biomasse lässt sich nämlich nicht nur Feuer entfachen, sondern es können auch moderne Heizungsanlagen oder Kraftwerke zur Stromerzeugung betrieben werden, sowie Brenngas oder Treibstoff hergestellt werden.

Aus Biomasse wird nicht nur flüssiger Kraftstoff, sondern mit Hilfe einer Biogasanlage auch Biogas hergestellt. Mit der Zugabe von Bakterien vergärt die Biomasse dabei in feuchter Umgebung, die luftdicht verschlossen ist. In dem wichtigsten Teil der Biogasanlage, dem beheizten Fermenter, wird das Substrat durch eine Rührvorrichtung durchgemischt und sorgt so für gleichmäßige Bedingungen. Während des Zersetzungsprozesses wird die Biomasse hauptsächlich in Wasser, Kohlenstoffdioxid und Methan umgewandelt, deren gasförmigen Bestandteile von der Biogasanlage aufgefangen werden.

Da außerdem weitere Stoffe wie Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff in dem Gas vorhanden sind, wird es in einem weiteren Schritt gereinigt und entschwefelt. Biogas wird hauptsächlich für Gebäudeheizungen und Fahrzeuge genutzt. Mit Hilfe von Motoren und Generatoren kann man aus dem Biogas auch elektrischen Strom erzeugen. Sobald es auf den idealen Heizwert gebracht wurde, lässt es sich direkt in das Erdgasnetz einspeisen.

Projekt und Zielgruppe
Aufgabe unseres P-Seminars am Gymnasium bei St. Stephan in Augsburg war es, einen informativen Lehrpfad zum Thema „Erneuerbare Energien in Augsburg“ zu erstellen. Als Darstellungsform haben wir einen Freiluftpfad mit fünf Tafeln gewählt, der die Themen „Warum Erneuerbar?“, „Wasserkraft“, „Solarenergie“, „Windkraft“ und „Bioenergie“ präsentiert. Auf dieser Internetseite, die auch über QR-Codes auf den Tafeln erreichbar ist, werden diese Themen noch ausführlicher erklärt.
Unsere Tafeln richten sich an interessierte Bürgerinnen und Bürger im Raum Augsburg, die sich bisher noch nicht mit der regenerativen Energieerzeugung auseinandergesetzt haben. Mit unserer Arbeit wollen wir dazu anregen sich mit diesem lohnenden Thema zu beschäftigen. Es muss klar sein, dass wir unsere Bedürfnisse nicht mehr auf Kosten kommender Generationen decken können. Zur Energiewende kann jede Augsburgerin und jeder Augsburger mit dem Start der eigenen Energiewende beitragen, beispielsweise mit Maßnahmen zur Energieeinsparung oder über die Errichtung einer eigenen Photovoltaikanlage.
Unsere Texte sind für die Zielgruppe „Interessierte Einsteiger ins Thema“ konzipiert. Deswegen haben wir an der ein oder anderen Stelle vereinfachte Aussagen getroffen. So ist beispielsweise unsere Aussage „Fossile Brennstoffe werden immer knapper und damit auch immer teurer“ sicher theoretisch richtig. Uns ist jedoch bewusst, dass globale Preisfindungsmechanismen äußerst komplexe Systeme sind, die sich eigentlich nicht einfach in einem Satz beschreiben lassen. Zusätzlich müssen auch politische und technische Faktoren (technischer Fortschritt) mit betrachtet werden. Natürlich fehlen bei unseren Erläuterungen zu den erneuerbaren Energien noch viele Details. Wir haben auch nicht immer den aktuellen Stand der Technik mit abgebildet. So gibt es beispielsweise neben den beschriebenen Windkraftanlagen (mit Getriebe) inzwischen auch getriebelose Windkraftanlagen.
Insgesamt gilt: Wenn unsere Seiten Sie für das Thema erneuerbare Energien motivieren und sensibilisieren, haben wir unser Seminarziel erreicht!

Das Projekt wurde unterstützt von:
Stadt Augsburg
Stadtwerke Augsburg
AVA Abfallverwertung Augsburg GmbH
Ulrike Bahr
Bildnachweise:
Martini GmbH & Co. KG, Augsburg (Photovoltaikanlage), Umweltamt Augsburg / privat (Windkraftanlage, Wasserkraftanlage)
Literaturhinweise:

• Stierstadt, Klaus: Energie – das Problem und die Wende in Physik, Technik und Umwelt, Rheinbreitbach 2015
• Kästner, Thomas: Energiewende in 60 Minuten, Wiesbaden 2016
• Greitmann, Sven: Erneuerbare Energien, Oberkrämer 2010
• Quaschning, Volker: Erneuerbare Energien und Klimaschutz, München 2013
• EEG_Jahresabschluss_Einspeisung_swa_Netze_GmbH_(VNB)_2016_01
• Sachstandsbericht Solarenergie für den Wirtschaftsraum Augsburg

Ausleihmöglichkeiten
Die Tafeln unseres Lehrpfads können kostenfrei von Organisationen nach Absprache ausgeliehen werden. Lediglich der Transport der Tafeln zum Ausstellungsort und wieder zurück, muss vom Entleiher übernommen werden.
Kontakt: Umweltamt Augsburg, umweltamt{at}augsburg.de

Impressum
P-Seminar 2017-2019 „Energiepfad“
Gymnasium bei St. Stephan, Gallusplatz 2, 86150 Augsburg
Texte und Bilder (siehe auch Bildnachweise und Literaturhinweise): P-Seminar
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