Wasserkraft: Fallhöhe, Durchfluss und der größte Energiespeicher der Welt
Wasserkraft ist die älteste der modernen Erneuerbaren und noch immer die größte. Sie ist zugleich die einzige, bei der der Speicher schon in der Ressource steckt: Ein Stausee ist eine Batterie, die das Wetter gefüllt hat. Diese zweite Eigenschaft ist wertvoller geworden, nicht geringer, je mehr sich die Netze mit Quellen füllen, die sich nicht einplanen lassen.
Fallhöhe und Durchfluss
Die Energie in gespeichertem Wasser ist Lageenergie im Schwerefeld: Masse mal Erdbeschleunigung mal Höhe. Sie in Leistung zu übersetzen heißt, mit der Rate zu multiplizieren, mit der das Wasser fällt. Alles an einer Wasserkraftanlage folgt aus diesen zwei Größen - Fallhöhe und Durchfluss - und sie lassen sich gegeneinander tauschen.
Eine Hochdruckanlage lässt Wasser Hunderte Meter durch ein Rohr zu einer Turbine am Fuß fallen. Der Durchfluss darf bescheiden sein, weil jeder Kubikmeter so viel Energie trägt. Norwegen und die Alpen sind so gebaut. Eine Niederdruckanlage führt einen gewaltigen Durchfluss durch ein kleines Gefälle, wie es eine große Flussstaustufe tut - der Drei-Schluchten-Damm arbeitet mit etwa 80 Metern Fallhöhe und einem Fluss, der das trägt.
Die Turbinenbauart folgt daraus. Pelton-Räder, im Kern von einem Strahl getroffene Becher, passen zu hoher Fallhöhe und kleinem Durchfluss. Francis-Turbinen, bei denen Wasser durch Leitschaufeln nach innen spiralt, decken das breite Mittelfeld ab und sind weltweit der häufigste Typ. Kaplan-Turbinen ähneln Schiffsschrauben mit verstellbaren Blättern und bewältigen geringe Fallhöhe bei großem Durchfluss.
Der Wirkungsgrad dieser Umwandlung ist bemerkenswert. Moderne Turbinen überschreiten 90 Prozent, große Anlagen erreichen 95 Prozent. Es ist keine Wärme im Spiel, also greift keine der thermischen Grenzen, die ein Verbrennungs- oder Kernkraftwerk deckeln. Wasser geht mit Energie hinein, das Laufrad dreht sich, und nahezu alles kommt als Strom heraus.
Drei Bauformen
Speicherwasserkraft staut einen Fluss und hält das Wasser hinter der Mauer zurück. Das ist die Form, die planbare Leistung liefert: Der Betreiber entscheidet, wann erzeugt wird, und ein großer Stausee kann Monate an Energie halten. Diese Steuerbarkeit ist der Grund, warum Wasserkraft historisch dem Bedarf folgte, statt schlicht Grundlast zu liefern.
Laufwasserkraftwerke leiten einen Teil des Flusses durch Turbinen und geben ihn flussabwärts ohne nennenswerten Speicher zurück. Ihr ökologischer und sozialer Fußabdruck ist weit kleiner, weil sie wenig oder keine Fläche überfluten, aber sie erzeugen das, was der Fluss in diesem Augenblick hergibt, was sie saisonal statt planbar macht.
Pumpspeicher kehrt den ganzen Gedanken um. Zwei Becken auf verschiedener Höhe sind durch einen Stollen und eine umkehrbare Pumpturbine verbunden. Ist Strom billig oder reichlich, pumpt die Maschine Wasser hinauf; ist er knapp, läuft es zurück und erzeugt. Sie verbraucht mehr Energie, als sie zurückgibt - der Kreislaufwirkungsgrad liegt bei 70 bis 85 Prozent - und sie ist überhaupt kein Erzeuger, sondern ein Speicher.
Diese Unterscheidung sollte man sauber halten. Ein Pumpspeicherwerk erzeugt keine Nettoenergie. Es verschiebt Energie in der Zeit, und in einem Netz voller wetterabhängiger Windkraft und Photovoltaik ist das eine Leistung, die für sich genommen bezahlt werden will.
Die Batterie der Welt
Der Maßstab der Pumpspeicher wird regelmäßig unterschätzt, weil sie alt, leise und unmodern sind. Weltweit entfallen auf sie mehr als 90 Prozent des gesamten netzgebundenen Stromspeichers, mit einer installierten Leistung um 180 Gigawatt und einer Energiemenge im Bereich mehrerer hundert Gigawattstunden. Sämtliche netzgebundenen Lithium-Ionen-Batterien des Planeten zusammen halten davon einen kleinen Bruchteil.
Die Physik ist unspektakulär, und genau darum geht es: Das Speichermedium ist Wasser, der Behälter ein Tal. Die Kosten je gespeicherter Energieeinheit sind sehr niedrig, sobald der Standort existiert, und die Technik hält 50 bis 100 Jahre, während eine Batterie typischerweise binnen 15 Jahren ersetzt wird.
Die Grenze ist wieder die Geografie. Ein Pumpspeicher braucht zwei ansehnliche Becken mit erheblichem Höhenunterschied, einigermaßen nah beieinander, an einem Ort, an dem der Bau akzeptabel ist. Solche Standorte sind ungleich verteilt, und die besten in Europa und Nordamerika sind weitgehend genutzt. Geschlossene Kreisläufe ohne Flussanschluss und Vorschläge mit aufgelassenen Bergwerken werden verfolgt, um die Auswahl zu erweitern.
Diese Rolle im Netz teilt die Wasserkraft mit jeder Quelle, die auf Abruf statt nach Wetter liefert - die Achse, entlang derer Energiespeicher üblicherweise verglichen werden.
Grenzen, Folgen und was noch zu bauen bleibt
Große Talsperren sind die folgenreichsten erneuerbaren Bauwerke überhaupt, und zwar in beide Richtungen. Sie liefern neben Strom auch Hochwasserschutz, Bewässerung und Schifffahrt, und sie haben im vergangenen Jahrhundert Dutzende Millionen Menschen umgesiedelt. Allein das Drei-Schluchten-Projekt siedelte rund 1,3 Millionen um.
Ökologisch macht eine Talsperre aus einem Fluss eine Kette von Seen. Wandernde Fische werden blockiert, sofern keine genutzten Fischtreppen bestehen, Sedimente, die ein Delta erreicht hätten, sammeln sich hinter der Mauer, und das Abflussregime flussabwärts ändert sich dauerhaft. Stauseen in tropischen Regionen können erhebliche Mengen Methan aus verrottender überfluteter Vegetation freisetzen, was den Klimavorteil in einzelnen Fällen schmälert.
Wasserkraft ist zudem auf eine Weise klimaabhängig, wie es andere Erneuerbare nicht sind. Dürre senkt den Ertrag unmittelbar, und in mehreren der letzten Jahre brach die Wasserkrafterzeugung in Europa, China und Lateinamerika deutlich ein - jeweils dann, wenn Strom am dringendsten gebraucht wurde.
Das verbleibende Potenzial ist ungleich verteilt. Europa und Nordamerika haben die wirtschaftlich sinnvollen Standorte weitgehend erschlossen. Afrika hat einen kleinen Bruchteil seines technischen Potenzials gebaut, und Teile Südasiens und der Anden halten erhebliche Kapazitäten bereit. In reifen Märkten fließt inzwischen ein großer Teil der Investitionen in die Ertüchtigung bestehender Anlagen, wo zusätzlicher Turbinenwirkungsgrad an einer hundert Jahre alten Staumauer oft die günstigste verfügbare Neuerzeugung ist.
Häufige Fragen
Warum ist Wasserkraft so effizient?
Weil sie mechanische Energie unmittelbar in Drehbewegung wandelt, ohne Zwischenstufe Wärme. Die thermischen Grenzen, die Verbrennungs- und Kernkraftwerke bei 33 bis 45 Prozent deckeln, greifen nicht. Wasser ist zudem dicht und praktisch nicht komprimierbar, überträgt Energie also mit sehr geringem Verlust auf ein Laufrad. Große Maschinen übersteigen 90 Prozent.
Ist Pumpspeicher eine Energiequelle?
Nein, ein Speicher. Er verbraucht beim Hochpumpen mehr Strom, als er beim Ablassen zurückgibt, mit einem Kreislaufwirkungsgrad von 70 bis 85 Prozent. Sein Wert liegt darin, Energie aus Zeiten des Überschusses in Zeiten der Knappheit zu verschieben - eine andere Leistung als Erzeugung.
Wie viel Weltstrom stammt aus Wasserkraft?
Rund 15 Prozent, mehr als alle anderen erneuerbaren Quellen zusammen und etwa die Hälfte der erneuerbaren Erzeugung. Sie ist die größte erneuerbare Quelle nach Ertrag und war es über die gesamte Geschichte der Stromnetze.
Was unterscheidet Speicher- von Laufwasserkraft?
Eine Speicheranlage hält Wasser hinter einer Mauer und kann auf Abruf erzeugen, ist also planbar. Eine Laufwasseranlage nutzt den Durchfluss, wie er ankommt, mit wenig oder keinem Speicher, sodass ihr Ertrag dem Fluss und der Jahreszeit folgt. Laufwasser überflutet weit weniger Fläche, gibt aber die Steuerbarkeit auf.
Setzen Stauseen Treibhausgase frei?
Manche schon. Vegetation, die beim Fluten überschwemmt wird, verrottet und kann Methan freisetzen, am ausgeprägtesten in warmen, flachen tropischen Becken. Die Lebenszyklusemissionen der Wasserkraft bleiben im Mittel niedrig und mit Wind vergleichbar, aber die Spannweite zwischen einzelnen Projekten ist groß.
