Staudämme erzeugen große hydrostatische potenzielle Energiespeicher, bewegen große Wassermassen durch Turbinen und treiben Generatoren an, die Strom erzeugen. Der größte Staudamm der Welt – die Drei-Schluchten-Talsperre am Jangtsekiang in China – erzeugt bis zu 22.500 MW Strom. Das bedeutet, dass der Damm genug Strom für 18 Millionen Haushalte erzeugen kann (gemessen an durchschnittlichen Energieverbrauchsraten in den USA). Wasserkraftwerke erzeugen knapp 6,7 % des globalen Stroms.
Wie erzeugen Staudämme Strom?
Wie funktionieren diese gewaltigen Staudämme? Betrachten wir die grundliegenden Komponenten eines Staudamms und den Erzeugungsprozess erneuerbarer und produktiver Energien.
Schritt 1: Nutzung potenzieller Energie
Ein tosender Fluss gibt potenzielle Energie in Form von kinetischer Energie und Geräuschenergie ab – die Schwerkraft bewirkt, dass der Fluss in ganz bestimmten Bahnen fließt. Dämme fangen diese freigesetzte Energie auf und speichern auf effektive Weise die potenzielle Energie des Flusses in einem seeähnlichen Staubecken. Staudämme bilden also einen „Vorrat“ an potenzieller Energie eines Flusses. Die hydraulische Fallhöhe, bestimmt durch die Wassertiefe und -geschwindigkeit, mit der das Wasser durch die Druckrohrleitung des Damms strömt, bewirkt die Drehbewegung der Turbine im Wasserkraftwerk.
Schritt 2: Antrieb der Wasserturbine
Mechanische Laufräder variieren in Form und Größe. Allgemein lässt sich sagen: Je größer die Laufräder, desto schwieriger sind sie anzutreiben. Große Laufräder erfordern zum Antrieb höhere Spannungen und größere Motoren. Große Turbinen, wie die Francis-Turbinen der Drei-Schluchten-Talsperre und in vielen anderen Staudämmen, erfordern ebenfalls mehr Energie, um ihre Drehbewegung zu erhöhen.
Die Francis-Turbine benötigt für die Drehbewegung eine hydraulische Fallhöhe. Der durch die potenzielle Energie des Damms erzeugte hydrostatische Druck erzeugt die hydraulische Fallhöhe, die mit steigender Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Kurz gesagt: Ein höherer Damm erzeugt eine größere hydraulische Fallhöhe und kann größere Turbinen antreiben. Während sich die Turbine dreht, erzeugt die hydraulische Fallhöhe kinetische Energie. Durch diese Umwandlung entfällt die Strömung und der hydrostatische Druck des Wassers, sodass es langsam aus der Staumauer fließen kann.
Schritt 3: Antrieb des Wasserturbinengenerators
Die Drehbewegung der Turbine erzeugt elektrische Energie. Turbinen sind an elektrische Generatoren gekoppelt, entweder direkt oder über ein Getriebe, welches die Welle oder den Läufer des Generators antreibt. Stromwandler und Bürsteneinheit erfassen den Stromfluss, der durch die Drehbewegung des Generatorläufers gegenüber dem Stator erzeugt wird.
Große Generatoren wie in Staudämmen erzeugen sehr viel Reluktanz (Beständigkeit gegen mechanische Drehung), die nur durch große Drehkräfte der Drehturbine überwunden werden kann. Mithilfe eines Getriebesystems wie in einem Auto wird die Drehbewegung der Turbine in variierende Drehmomente und Drehzahlverhältnisse umgewandelt.
Schritt 4: Erfassung und Übertragung hydroelektrischer Energie
Erzeugte Energie wird schnell in Spannungen auf Netzebene umgewandelt, die anschließend durch das lokale Energieunternehmen über Stromleitungen übertragen werden. Die Aufwärtstransformatoren in Staudämmen erzeugen aus relativ geringen Ausgabespannungen Spannungen für Stromversorgungsunternehmen. Die höheren Spannungen, die ein Wasserkraftwerk verlassen, eignen sich durch ihre Effizienz aufgrund der geringeren Stromstärke ideal für Langstrecken-Energieübertragungen. Die Glen-Canyon-Staumauer in Page, Arizona, liefert Strom an praktisch 1.500 Kilometer entfernte Haushalte in Nordnebraska bei einer Übertragungsrate von 500 kV auf dem gesamten Weg des Stroms.
Weiterentwicklung erneuerbarer hydroelektrischer Energien
Wasserkraftwerke stellen weltweit die größte Quelle für erneuerbare Energien dar. Die Auswirkungen hydroelektrischer Energien steigen, während immer mehr Staudämme und Gezeitenkraftwerke entstehen und die Effizienz von Systemen verbessert wird. Die Modellierung von Strömungsdynamiken wird ebenfalls verbessert, und mit schrumpfenden Fertigungstoleranzen erreicht die Turbineneffizienz einen Wert von beinahe 100 %. Fortschritte bei der Entwicklung von Getrieben, Schmiermitteln und Fertigungstoleranzen steigern die Effizienz. Gleiches gilt für zukünftige stärkere Magneten, effiziente Leiter und bessere Steuerungssysteme. Solange Flüsse vorhanden sind, ist Wasserenergie eine wertvolle Option für nachhaltige Energie.
