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Wasserkraft

Als die ersten Chinesen vor rund 5.000 Jahren damit begannen, die Energie fließender und stehender Gewässer zu nutzen, konnten sie nicht ahnen, dass Wasserkraft tausende Jahre später weltweit verbreitet sein würde. Bereits um 3.500 v. Chr. kamen Wasserschöpfräder zur Bewässerung von Feldern zum Einsatz – und zwar nicht nur in China sondern auch zwischen Euphrat und Tigris, an Indus und Nil.

Wasserkraft wird seit über 5500 Jahren genutzt

wasserkraftDie Technik verbreitete sich in den folgenden Jahrhunderten entlang der Mittelmeerküsten und fand auch bei den Römern und Griechen schnell Verwendung. Eine erste Weiterentwicklung der bekannten Schöpfradtechnik war die im 2. Jahrhundert v. Chr. entwickelte archimedische Schraube, die bis heute als Schraub- oder Schneckenpumpe

Anwendung findet. Griechische Ingenieure waren es auch, die im 4./3. Jahrhundert das Wasserrad aus Holz erfanden, das erstmals die Energie des Wassers in mechanische Energie umwandelte. Bereits im 1. Jahrhundert v. Chr. wurden damit Mahlmühlen im Römischen Reich angetrieben, um Laufe der folgenden Jahrhunderte auch Einrichtungen wie Ölmühlen, Sägemühlen, Hammerwerke und Papiermühlen.

Mit der Industrialisierung begann man, die Wasserkraft über Transmissionen zum Antreiben von Maschinen zu nutzen. Besonders effizient waren dabei die 1767 von John Smeaton erfundenen Wasserräder aus Gusseisen, die deutlich belastbarer als die herkömmlichen Holzräder waren.

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Wie aus Wasserkraft Elektrizität entsteht

Einen wichtigen Meilenstein in der Geschichte der Wasserkraft-Nutzung stellt auch die Entwicklung der ersten Turbine dar: Die 1842 vorgestellte Fourneyron-Turbine ist ein Vorläufer der bis heute eingesetzten Francis-Wasserturbine, die die kinetische bzw. potenzielle Energie des Wassers in Rotationsenergie und in der Folge in elektrischen Strom umwandelt. Möglich ist die Umwandlung in Strom seit Erfindung des Generators (1866) durch Werner von Siemens. Mit der wachsenden Popularität des elektrischen Stroms wuchs auch die Nachfrage danach, was 1880 in der Inbetriebnahme des weltweit ersten Wasserkraftwerkes im englischen Northumberland gipfelte.

Das erste Großkraftwerk entstand bereits 1896 auf der US-amerikanischen Seite der Niagarafälle. Neue Turbinentypen wie die Kaplan-, Jonval- und Pelton-Turbine verbesserten den Wirkungsgrad der Wasserkraftwerke, neue Konstruktionsformen erschlossen eine breitere Nutzung. Heute wird Wasserkraft nicht nur an Flüssen und Stauseen genutzt: Die neusten Wasserkraftwerke erzeugen Strom auch auf hoher See und in Küstengewässern. Die steigende Nachfrage nach erneuerbaren Energien hat die Wasserkraft wieder stärker in den Fokus von Verbrauchern und Stromproduzenten gerückt.

Klassifizierung und Funktionsweise heutiger Wasserkraftanlagen

Grundsätzlich folgen alle modernen Wasserkraftanlagen mehr oder weniger demselben Prinzip: Wasser in Bewegung (z.B. das fließende Wasser eines Flusses oder Wasser, das von einem höher gelegenen Staubecken in ein niedriger gelegenes Becken fließt) besitzt kinetische bzw. potenzielle Energie, die eine Turbine allein dadurch antreiben kann, dass das Wasser durch die Turbine strömt. Die Turbine kann direkt oder über ein Getriebe einen Generator antreiben, der daraufhin elektrischen Strom erzeugt.

Unterschieden werden verschiedene Turbinenarten, die sich hinsichtlich ihrer Wirkungsweise und ihres Wirkungsgrades differenzieren lassen, sowie verschiedene Typen von Wasserkraftwerken. Zu den bekanntesten Kraftwerkstypen zählen Laufwasserkraftwerke sowie Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke. Laufwasserkraftwerke kommen in der Regel an größeren Flüssen zum Einsatz. Je nach Typ (z.B. Laufkraftwerk mit Schwellbetrieb, Buchtenkraftwerk, Wasserwirbelkraftwerk, Strömungskraftwerk, Wasserkraftschnecke) wird das Wasser durch eine Wehranlage aufgestaut, durch eine künstliche Bucht geleitet oder direkt zur Stromerzeugung genutzt.

Wasserkraft: Saubere Energiequelle mit ökologischen Problematiken

Elektrische Energie wird hier kontinuierlich erzeugt – ganz im Gegensatz zu Speicherkraftwerken, die in Zusammenhang mit Stauseen zum Einsatz kommen. Dabei wird ein Fließgewässer in einem Stausee angestaut, der damit als (Trink-)Wasser- und Energiespeicher zugleich dient. Wird das Wasser durch Pumpen (z.B. aus einem tiefer gelegenen Wasserbecken) in dieses Staubecken befördert, spricht man von einem Pumpspeicherkraftwerk. Bei Bedarf wird das Wasser durch Leitungen vom Oberbecken zum niedriger gelegenen Maschinenhaus geführt, wo es auf eine Turbine trifft, die einen Generator antreibt. Gesammelt wird das Wasser im sogenannten Unterbecken, das wiederum als Oberbecken für eine weitere Staustufe dienen kann.

Grundsätzlich handelt es sich bei Wasserkraftwerken um die CO2-arme Nutzung regenerativer Energien, die fossile Energieressourcen schonen. Die Anlagen arbeiten im Gegensatz zu z.B. Solaranlagen weitgehend unabhängig von Wetter und Zeit, bieten eine relativ gleichmäßige Energieausbeute und können im Falle von Speicherkraftwerken sogar dem Hochwasserschutz dienen. Darüber hinaus fungieren viele Stauseen gleichzeitig als Trinkwasserreservoir. Die meisten Anlagenteile können nach Ablauf ihrer Betriebszeit recycelt werden. Dennoch bergen Wasserkraftwerke auch einige Nachteile und Gefahren, die ihren Ausbau nicht immer empfehlenswert machen.

Grundwasserspiegel kann beträchtlich schwanken

Vor allem Speicherkraftwerke greifen enorm in den Wasserhaushalt ein und können den Grundwasserspiegel einer ganzen Region entweder deutlich ansteigen oder absinken lassen. Das ökologische Gleichgewicht der Region kann dadurch nachhaltig gestört werden. Hinzu kommt die Gefahr eines Dammbruchs, der Lebensraum und Leben schlagartig zerstören könnte. Vor allem in wärmeren Regionen emittieren besonders große Stauseen zudem klimagefährliche Gase wie Methan und CO2.

Ein grundsätzliches Problem von Wasserkraftwerken stellen die verringerte Fließgeschwindigkeit der genutzten Gewässer sowie die Ökologische Barriere dar. Aufgrund der verringerten Fließgeschwindigkeit kann die Wassertemperatur zunehmen – bei gleichzeitiger Abnahme der Sauerstoffsättigung im Wasser. Darüber hinaus werden Fische und Kleinstlebewesen durch Turbinen schlimmstenfalls an ihren Wanderungen gehindert und getötet. Bereits seit einigen Jahren arbeiten Wissenschaft und Wirtschaft daran, die negativen Begleiterscheinungen von Wasserkraftwerken zu minimieren – auch weil die Nachfrage nach Wasserkraft im Zuge eines neuen Umweltbewusstseins seit einigen Jahren stabil wächst.

Forschung minimiert die negativen Auswirkungen

Maßnahmen wie eine Mindestwasserabgabe, Fischtreppen, technisch verbesserte, leistungsstärkere Turbinen sowie naturnah gestaltete Staubecken können dabei helfen, Wasserkraft wirklich nachhaltig und umweltschonend zu nutzen Weitere Chancen bestehen in Wasserkraftwerken auf dem Meer, etwa in Form von Gezeiten- und Wellenkraftwerken, die sich derzeit zum Teil aber noch in der Testphase befinden. Ernsthaft von Wissenschaftlern erwogen werden u.a. auch Meeresströmungskraftwerke, Schiffsmühlen, Gletscherkraftwerke sowie Kraftwerke in Abwasserkanälen.

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