Wasserkraftanlagen - Wellen- und Gezeitenkraftwerke
Das Prinzip besteht darin, die Bewegungsenergie (dynamische Energie) des Wassers beim Strömen zu nutzen, um damit ein Gerät oder eine Maschine anzutreiben (mechanische Energie). Früher waren dies Mühlen, Hämmer, Pumpen und später Turbinen. Eine Turbine setzt die lineare Bewegung des Wassers in eine rotierende Bewegung um und treibt damit einen Generator an, der Strom erzeugt (elektrische Enegie). Turbinen gibt es in verschiedenen Bauformen, die von der Konstruktion des Wasserkraftwerks und den Bedingungen abhängen (Kaplan-, Francis-, Pelton-Turbine).
Laufwasserkraftwerk
Die historische Bauart „Wassermühle“ ist im Laufwasserkraftwerk weiterentwickelt worden. Die Skizze zeigt die wesentlichen Elemente Turbine und Generator zur Stromerzeugung. Laufwasserkraftwerke sind die typischen Anlagen an Flüssen.
Nach ihrer Bauart lassen sich weitere Kraftwerkstypen unterscheiden:
Bei einem Speicherkraftwerk wird das Wasser über einen Zeitraum (mehrere Stunden bis mehrere Monate) gespeichert und bei Bedarf (zu Zeiten hohen Stromverbrauchs) vom höher gelegenen Speicherbecken durch die Turbine abgelassen. Wenn das Wasser unten in einem Speicherbecken aufgefangen und wieder in das obere Speicherbecken hoch gepumpt wird (in verbrauchsarmen Zeiten), spricht man von einem Pumpspeicherwerk. Pumpspeicher-Kraftwerke bieten als einzige Energieanlagen die Möglichkeit, Elektrizität wirtschaftlich und in nennenswertem Umfang mit Hilfe des höher gelegenen Speicherwassers (potentielle Energie) zu speichern.
Das Pumpspeicherwerk Goldisthal in Thüringen am Oberlauf der Schwarza wurde im Jahr 2003 in Betrieb genommen und ist mit einer Leistung von 1.060 MW das größte Wasserkraftwerk Deutschlands und eines der größten Europas.
Gezeiten-, Wellen- und Meeresströmungskraftwerke
Wenn Kraftwerke am Meer entstehen, können dies Gezeiten-, Meeresströmungs- oder Wellenkraftwerke sein.
Beim Gezeitenkraftwerk wird der Tidenhub, der unterschiedliche Wasserstand von Ebbe und Flut ausgenutzt. Es wird ein Staubecken vom offene Meer abgegrenzt, das sich bei Flut füllt. Bei Ebbe fließt das Wasser wieder aus dem Becken ab. In beiden Richtungen strömt es durch Turbinen, so dass die potentielle Energie (Lageenergie) zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Hier werden Turbinen mit verstellbaren Rotorblättern (meist in der Bauart der Kaplan-Turbine) eingesetzt
Das erste und zurzeit größte Gezeitenkraftwerk wurde an der Atlantikküste bei Saint-Malo in Frankreich erbaut (Inbetriebnahme 1966). Der Absperrdamm besitzt 24 Durchlässe, in denen jeweils eine Turbine mit einer Nennleistung von 10 MW installiert ist. Die gesamte Anlage hat somit eine Leistung von 240 MW und erzeugt jährlich rund 600 Millionen kWh Strom.
Gezeitenkraftwerke werden nicht mehr gebaut, da die ökologischen Eingriffe zu stark sind.
Als typisches Kraftwerk im Zuge der Bewegung zu Erneuerbaren Energien wurden Wellenkraftwerke entwickelt. Im Unterschied zum Gezeitenkraftwerk wird nicht der Tidenhub ausgenutzt, sondern die ständige Wellenbewegung des Meeres.
Es gibt verschiedene Wirkungsmechanismen, um die Bewegungsenergie der Wellen in Strom zu verwandeln:
Die vielversprechendste Variante ist die Pneumatische Kammer.
In diesem Kraftwerkstyp drückt jede Welle das Wasser in kaminartige Betonröhren und zieht es dann bei einem Wellental wieder heraus. Am oberen Ende münden die Röhren in Turbinen. Durch die sich auf und ab bewegende Wassersäule wird die Luft in den Betonröhren abwechselnd komprimiert bzw. angesaugt. Dadurch entsteht im Auslass ein schneller Luftstrom, der eine Turbine antreibt.
Ein anderes Prinzip besteht darin, die Relativbewegung von Schwimmkörpern – so genannte Seeschlangen (eine Anordnung von beweglichen, durch Gelenke verbundenen, an der Oberfläche schwimmenden Elementen) zu benutzen, um damit über hydraulische Systeme Generatoren anzutreiben.
Weitere Projekte im Erforschungsstadium sind die Nutzung der potentiellen Energie (Höhenenergie) auflaufender Wellen auf eine Rampe (Projekt Wave Dragon) und die Nutzung von Bodenwellen (Projekt Wave Roller).
Ein Meeresströmungskraftwerk funktioniert im Prinzip wie eine Windenergieanlage, nur bewegt sich der Rotor unter Wasser. Der entscheidende Vorteil von Meeresströmungskraftwerken ist, dass diese kontinuierlich fließen und sich die zu erwartende Strommenge sehr genau vorhersagen lässt. Die eingespeiste Strommenge ist also kaum wetterabhängig, wie bei Windkraft- oder Solaranlagen. Sie sind im Moment noch zu wenig entwickelt und somit noch nicht wirtschaftlich zur Stromerzeugung.