Die Wasserkraft – wichtigste Energiequelle in der Schweiz

Seit der Mensch sesshaft wurde, hat er versucht, Wasserläufe zu zähmen – einerseits um seine Siedlungen zu schützen, andrerseits um ihre Energie zu nutzen. Die Nutzbarmachung von Wasserläufen geht bis in die Bronzezeit zurück. Mit der Zunahme des Energiebedarfs entwickelten sich die Techniken der Wassernutzung, und die Wasserkraft wurde weltweit eine der wichtigsten Energiequellen.

Laufwasserkraftwerk am Rhein

Es braucht nicht immer grosse Staudämme, um Wasserkraft zur Stromproduktion zu nutzen. Laufwasserkraftwerke werden direkt in den Flusslauf eingebaut, wie hier am Rhein. Bild: swisshippo/CanStockPhoto

Wasserkraft – seit der Bronzezeit als Energiequelle genutzt

Spuren von prähistorischen Staudämmen aus dem 3. Jahrtausend vor Christus wurden im Zweistromland um Euphrat und Tigris sowie in der Nilebene in Ägypten entdeckt. Ursprünglich dienten diese Staudämme der Zurückhaltung von Wasser zur Bewässerung der landwirtschaftlichen Kulturen.

Erst ab dem 9. Jahrhundert nach Christus wurden auch in Europa häufiger Staudämme gebaut. Diese Bauwerke von bescheidener Höhe stauten kleinere Seen für den Betrieb von Wassermühlen auf. Die Kraft der Wassermühlen wurde damals benötigt, um Getreide zu mahlen und kleinere Maschinen zu betreiben, z. B. Sägen oder Walkmühlen für die Herstellung von gewalkten Textilien und die Gerbung von Leder.

Während der Renaissance (1400–1600 n. Chr.) beschleunigte sich die wirtschaftliche Entwicklung Europas, und der allgemeine Energiebedarf begann zu wachsen. Die Wassermühlen dienten nun industriellen Zwecken, namentlich der Eisen- und anderen Metallverarbeitung.

Die ersten grossen Wasserkraftwerke (also mit mehr als 15 m hohen Staudämmen) wurden während der industriellen Revolution im 19. Jahrhundert errichtet. Im 20. Jahrhundert machte der wachsende Bedarf an Elektrizität die Errichtung immer grösserer Kraftwerke notwendig.

Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?

Wasserkraftwerke erlauben es, aus dem Wasser von Seen oder Flüssen Strom zu gewinnen. Zu einem Wasserkraftwerk gehören drei wesentliche Elemente:

  • Die Stauanlage – der Staudamm eines Speicherkraftwerks oder das Wehr eines Laufwasserkraftwerks. Das Wasser wird von dort auf die Turbine des Kraftwerks geleitet.
  • Ein Überlauf, der den Wasserfluss reguliert und wenn nötig überschüssiges Wasser am Kraftwerk vorbei ablaufen lässt.
  • Das Kraftwerk unterhalb des Staudamms, in dem eine Turbine vom angestauten Wasser angetrieben wird.

Wasserkraftwerke funktionieren nach dem Prinzip der Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Die kinetische Energie des Wassers treibt eine Turbine an, welche über einen Generator elektrische Energie erzeugt. Der Generator besteht aus einem drehenden Teil, dem Rotor, und dem festsitzenden Stator. Auf einem der beiden Teile befinden sich Spulen aus leitendem Material, auf dem anderen starke Magnete. Die Drehung des Rotors bewirkt eine Änderung des Magnetfeldes, in dem sich die Spulen befinden, und generiert dadurch mittels magnetischer Induktion einen elektrischen Strom. Die Bauweise des Generators ist dem Durchfluss und Druck des Wassers angepasst, doch das Prinzip der Stromproduktion durch magnetische Induktion ist jeweils dasselbe.

Staudämme ermöglichen es, eine grosse Menge Wasser in künstlichen Seen zu speichern. Je höher gelegen der Stausee ist, desto grösser ist die gespeicherte potentielle Energie des Wassers, das durch eine Druckleitung auf die Turbine des tiefer gelegenen Kraftwerks schiesst. Mit viel weniger Aufwand können kleine, leichte Flussturbinen realisiert werden, die jedoch auch weit weniger Energie liefern.

Wasserkraft als wichtigste erneuerbare Energie

Staumauer Grande Dixence im Wallis

Die Staumauer Grande Dixence im Wallis ist die vierthöchste der Welt. Bild: ValaisWallis Promotion, Alban Mathieu

Wasserkraft ist eine erneuerbare Energie, deren Rohstoff (das Wasser) kostenlos ist und im Vergleich zu fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdöl oder Erdgas als unerschöpflich angesehen wird. Ausserdem verursacht sie sehr wenige Emissionen. Die maximale Kapazität eines Speicherkraftwerks kann dank dem gestauten Wasser innerhalb weniger Minuten erreicht werden. Dadurch kann rasch auf Spitzen im Elektrizitätsverbrauch reagiert werden. Pumpspeicherkraftwerke ermöglichen es ausserdem, überschüssige elektrische Energie zu speichern, indem diese zum Hochpumpen von Wasser in einen Speichersee verwendet wird. Bei Bedarf wird dieses Wasser wieder zur Stromerzeugung genutzt.

Folgen für die Umwelt

Grosse Stauanlagen produzieren viel Elektrizität, sind aber auch aufwendig und teuer in der Errichtung und haben Folgen für die Umwelt. Der Bau der Drei-Schluchten-Talsperre in China mit dem grössten Wasserkraftwerk der Welt führte zur Überflutung weiter Landstriche und machte die Umsiedlung von mehreren Millionen Menschen notwendig.

Staudämme haben deshalb Auswirkungen auf ganze Ökosysteme. In den überfluteten Regionen flussaufwärts bringen der erzwungene Stillstand des Wassers, der übermässige Eintrag von Nährstoffen und der Sauerstoffverbrauch durch die verrottende überschwemmte Vegetation einen Verlust an Biodiversität mit sich. Ausserdem verändern Staudämme die Dynamik des Flusslaufs, insbesondere den Transport der Sedimente. Das Flussbett unterhalb der Talsperre erhält keinen Eintrag von Sedimenten mehr und erodiert. Gleichermassen werden Nährstoffe im Oberlauf zurückgehalten. Ausserdem stellen Staudämme ein unüberwindbares Hindernis für Fischarten dar, die im Lauf ihres Lebenszyklus normalerweise flussauf- oder -abwärts wandern würden.

Bei Laufwasserkraftwerken ist es einfacher, Umgehungskanäle zu errichten oder einen Teil des Flusslaufs unverbaut zu lassen. Flussturbinen wiederum haben kaum Auswirkungen auf die Umwelt.

Wasserkraft in der Schweiz

Dank zwei gewässerreichen Gebirgszügen, dem Jura und den Alpen, ist die Schweiz ein ideales Gebiet für die Nutzung der Wasserkraft. Sie liefert 55.4% der jährlichen Stromproduktion. Gemäss dem Bundesamt für Energie gibt es in der Schweiz 604 Wasserkraftwerke mit einer Leistung von 300 kW oder mehr, die jährlich im Mittel 36'031 GWh produzieren. Ungefähr 47.6 % dieser Energie stammen aus Laufwasserkraftwerken, 48 % aus Speicherkraftwerken und 4.4 % aus Pumpspeicherkraftwerken. Die Staumauer Grande Dixence im Wallis ist 286 m hoch und damit die vierthöchste Staumauer der Welt. Das Wasser aus dem dahinterliegenden Stausee wird auf drei Kraftwerke geleitet, die zusammen mehr als 2 GWh jährlich produzieren, also 5 % der gesamtschweizerischen Wasserkraft.

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