Wasserkraft

Wasserkraft hat eine lange Tradition. Lesen Sie mehr zu den Bereichen Wirtschaft, Umwelt, Recht, Technik und zur Geschichte.

Wirtschaft

Wasserkraft hat lange Tradition

Die Nutzung der Kraft des Wassers entlang der Gewässer zählt zum Bestandteil unserer Kulturlandschaft und hat eine lange Tradition. Wo heute Strom für die umliegende Bevölkerung erzeugt wird, stand früher oft eine Mühle, ein Säge- oder ein Hammerwerk. Die Anlagen wurden im Laufe der Zeit mit ihren Mühlbächen zu wertvollen Bestandteilen unserer Kulturlandschaften. Als Beispiele der frühen Automatisierung und Industrialisierung verdienen sie die Anerkennung als wertvolle Kulturgüter und stehen daher zum Teil unter Denkmalschutz.

Wasserkraft­anlagen wurden im Laufe der Zeit zu wertvollen Bestandteilen unserer Kulturlandschaften.

Wegbegleiter der Industrialisierung in NRW

Die Wasserkraft hat für Industrie- und Gewerbebetriebe entlang der Gewässer einen hohen wirtschaftlichen Nutzen und einen historischen Ursprung. Als verlässliche Energiequelle hat die Wasserkraft häufig erst die Ansiedlung der Betriebe möglich gemacht und wurde früh von der heimischen Wirtschaft genutzt (u.a. von der Eisenverarbeitung im Bergischen Land und der Papierindustrie an der Eifelrur). Sie war damit wichtiger Wegbegleiter der Industrialisierung in NRW und hatte bedeutenden Anteil an der gewerblichen und industriellen Entwicklung. Aber auch heute ist die Wasserkraft noch immer wichtig für die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen und der entsprechenden Standorte. Die Bedeutung für Gewerbe und Industrie ist also nach wie vor vorhanden.

Wasserkraft in Nordrhein-Westfalen

Rund 430 Wasserkraftanlagen mit ca. 190 MW Leistung

Der Jahresstromertrag in Nordrhein-Westfalen liegt bei 530 Mio. kWh.

Zusätzlich zwei Pumpspeicher-Kraftwerke mit ca. 300 MW Leistung.

Nordrhein-Westfalen ist in Deutschland Nummer 4 in Sachen Strom aus Wasserkraft.

60% der Wasserkraft-Erzeugung in Nordrhein-Westfalen kommt  aus dem Regierungsbezirk Arnsberg.

Wasserkraft als sichere und zuverlässige Energiequelle

Die Wasserkraft ist nicht nur eine heimische, sondern auch sichere und zuverlässige Energiequelle. Als ständig verfügbarer Bestandteil im Energiemix ergänzt sie optimal den Verbund der Erneuerbaren Energien und trägt zur Netzstabilität bei. Die CO2-freie und klimafreundliche Technologie verursacht keine Emissionen und vermeidet daher Luft-, Boden- und Wasserverschmutzung. Durch Wasserkraft erzeugter Strom ist im Gesamtkontext der regenerativen Erzeugungsquellen besonders wertvoll, da er grundlastfähig ist und prognostizierbaren Strom liefert. Strom aus Wasserkraft ist also stetig und zuverlässig kalkulierbar vorhanden, Tag und Nacht und bei jedem Wetter. Darüber hinaus stehen Wasserkraftanlagen eigentlich immer in der Nähe von Siedlungen und Produktionsstätten, d.h. der Strom wird dezentral produziert und muss auf dem Weg zum Verbraucher nicht weit transportiert zu werden.

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emissionsfrei

Praktischer Klima- und Umweltschutz durch Wasserkraft

Mit der jährlichen Stromproduktion einer Beispielanlage in NRW von ca. 4.200.000 kWh können …

… ca. 1.350 Haushalte mit regenerativem Strom versorgt werden.

… 2.100 E-Autos ein ganzes Jahr umweltfreundlich angetrieben werden.

… mit einem E-Auto 27,8 Mio. Kilometer im Jahr elektrisch gefahren werden, das entspricht 695 Mal um den Äquator.

… ca. 2,68 Mio. vermiedene Umweltfolgekosten pro Jahr erzielt werden.

Umwelt

Das Klima im Wandel

Der fortschreitende Klimawandel und die drohenden Auswirkungen für die gesamte Erde sind in aller Munde. Die Stromerzeugung mit fossilen Energieträgern verursacht große Mengen von Treibhausgasen, die die Klimaerwärmung weiter vorantreiben. Daher ist der Einsatz und Ausbau von Erneuerbaren Energien, die klimafreundlich und CO2-neutral Strom erzeugen, zwingend notwendig. Die Wasserkraft leistet hierbei einen bedeutenden Beitrag. Dies nutzt nicht nur dem Klima, sondern der Umwelt insgesamt. 

Wasserkraft leistet einen bedeutenden Beitrag beim Ausbau der Erneuerbaren Energien.

Der Mensch hat die Gewässer verändert

In weiten Teilen Nordrhein-Westfalens trifft man eine intensiv genutzte Kultur- und Industrielandschaft an. Eine völlig unberührte Natur ist selten geworden. Genauso wie die Landwirtschaft sowie die industrielle und städtische Entwicklung hat die Jahrhunderte alte Wasserkraftnutzung die ehemalige Naturlandschaft verändert. Es gibt kaum noch Gewässerabschnitte, die vollkommen unberührt sind. Vielmehr sind die Fließgewässer und die in ihnen lebenden Tier- und Pflanzenarten einer Vielzahl von Einflüssen ausgesetzt. Flussbegradigungen, Uferbefestigungen, Hochwasserschutzmaßnahmen, Gewässerunterhaltung, Pestizid- und Schadstoffeinträge, Angelsport, Schifffahrt, Wassersport usw. haben weitaus stärker ihre Spuren in den Gewässern hinterlassen als die Wasserkraft. 

Nutzungs­interessen und -ansprüche am Gewässer

Energie­erzeugung

Lebensraum für Fauna und Flora

Trinkwasser­versorgung

Industrie­wasser­versorgung

Freizeit und Erholung

Hochwasserschutz

Fischerei und Angelsport

Wasserkraft hat bereits viel für die Gewässerökologie geleistet

Betreiber von Wasserkraftanlagen setzen sich als Gewässernutzer seit vielen Jahren konstruktiv mit den Auswirkungen der Wasserkraftnutzung auf die Gewässerökologie auseinander. Durch den Bau von Fischtreppen wurde bereits an vielen Stellen die ökologische Durchgängigkeit ermöglicht. Aktuelle wissenschaftliche Untersuchungen zeigen zudem, dass moderne Wasserkraftanlagen in Verbindung mit entsprechenden technischen Schutzeinrichtungen Fische vor dem Eindringen und damit der Schädigung in Turbinen schützen. Ein zuverlässiger Fischschutz in den Gewässern und der gesetzliche Auftrag des Populationsschutzes können also gewährleistet werden. 

Durchgängigkeit von Staustufen durch Wasserkraft verbessern

In den Gewässern von Nordrhein-Westfalen gibt es über 13.000 so genannte Querbauwerke, die Wanderbarrieren für Lebewesen darstellen können. Lediglich an rund 430 dieser Querverbauungen in den Gewässern findet eine Wasserkraftnutzung statt. Das Haupthindernis für die Wanderbewegungen von Fischen stellen also nicht die Wasserkraftanlagen dar. Bei vielen dieser Querbauwerke ist aus unterschiedlichen Gründen (Hochwasserschutz, Trinkwassergewinnung, Gewässerregulierung, Grundwasserhaltung, Denkmalschutz etc.) ein Abriss nicht möglich. Im Zuge einer Wasserkraftnutzung an diesen Staustufen kann in Verbindung mit dem Bau von Fischtreppen die Durchgängigkeit und somit – neben der umweltfreundlichen Stromerzeugung – auch eine ökologische Verbesserung erreicht werden.

Durchgängigkeit und Querbauwerke

Über 13.000 Querbauwerke in den NRW-Gewässern.

Rund 430 Wasserkraftanlagen.

Nur an 3% der Querbauwerke findet eine energetische Nutzung statt.

Mit Fischtreppen, Fischschutzmaßnahmen und innovativer Turbinentechnik verbessert die Wasserkraft die Gewässerökologie.

Neue Biotope durch die Wasserkraft

Die Natur hat sich über Jahrzehnte oder Jahrhunderte an die Verhältnisse vor Ort angepasst. So stellen die Mühlengräben von Wasserkraftanlagen oftmals neue (Ersatz-)Biotope in der heutigen Kulturlandschaft dar. Gewässerabhängige Ökosysteme wie Vogelbrutstätten, Auwälder und wertvolle Feuchtgebiete haben sich gebildet, die anderswo durch den Gewässerausbau verloren gingen. Naturnah ausgebaute Mühlengräben bieten außerdem einen hervorragenden Rückhalt für die Flussfauna in trockenen und frostigen Zeiten. Zum Teil sind diese Gebiete heute Landschafts- oder Naturschutzgebiete mit einem hohen ökologischen Wert.

Recht

Die Genehmigung von Wasserkraftanlagen ist durch gesetzliche Bestimmungen auf Bundes- und Landesebene geregelt. Europäische Richtlinien geben dabei Rahmenbedingungen vor, die bei der Gesetzgebung des Bundes und Landes eine konkrete Ausgestaltung erfahren. Die Gesetzgebung im Bereich Wasserhaushalt wurde in den letzten Jahren insbesondere durch die EU-Wasserrahmenrichtlinie geprägt.

Maßgebend beim Bau von Wasserkraftanlagen sind insbesondere wasserrechtliche, naturschutzrechtliche und fischereirechtliche Vorschriften. Die Vergütung für den aus Wasserkraft erzeugten Strom ergibt sich aus dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG). Die wichtigsten Rechtsvorschriften sind unten aufgeführt. Diese Richtlinien und Gesetze betreffen nicht nur den Neubau, sondern auch das Repowering (oder auch die Änderung) und den Betrieb von Wasserkraftstandorten.

Bei umfangreichen rechtlichen Fragestellungen und Problemen sollte sich jeder Betreiber einer Wasserkraftanlage fachkundig beraten lassen. Auskünfte dazu erteilt auch der Verband. Zudem können wir den Kontakt zu entsprechenden Experten im Bereich Wasserrecht vermitteln.

Europäische Richtlinien

  • Europäische Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL)
  • Fauna-Flora-Habitat Richtlinie (FFH-RL)

Bundesgesetze

  • Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
  • Wasserhaushaltsgesetz (WHG)
  • Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG)
  • Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG)

Landesgesetze und -regelungen:

  • Landeswassergesetz (LWG)
  • Landesfischereigesetz (LFischG) und Landesfischereiverordnung (LFischVO)
  • Ergänzende Erlasse (MUNLV 2009, MKULNV 2014, MKULNV 2015) Auf Nachfrage beim Verband verfügbar
  • Landesnaturschutzgesetz (LNatSchG)

Technik

Individualität ist gefragt

Die Form der Wasserkraftnutzung ist so individuell wie der jeweilige Standort. Jede Wasserkraftanlage ist ein Unikat und wird optimal an die vorliegenden Voraussetzungen vor Ort angepasst.

Die passende Technik

Die Kraft des Wassers kann mit Hilfe von Wasserrädern, Wasserkraftschnecken oder Turbinen genutzt werden:

Wasserräder

Die Wasserräder sind die älteste Technik zur Nutzbarmachung der im Wasser enthaltenen Energie. Beim „unterschlächtigen“ Wasserrad besteht zwischen Ein- und Austritt des Wassers eine leichte Höhendifferenz und so wird neben der Bewegungsenergie auch die Schwerkraft bzw. der Druck des Wassers von der Bergseite her genutzt. Anders beim „oberschlächtigen“ Wasserrad: Hier fließt das Wasser von oben auf die muldenförmigen Schaufeln, so dass das Rad hauptsächlich durch das Gewicht des Wassers angetrieben wird. Als Mischform nutzt das „mittelschlächtige“ Wasserrad vornehmlich die Lageenergie. In den letzten Jahren wurde mit dem Segmentkranzwasserrad und dem Zuppinger-Wasserrad weitere überarbeitete Konzepte entwickelt.

Wasserkraftschnecke

Die Wasserkraftschnecke zur Stromerzeugung beruht auf dem umgekehrten Prinzip der Archimedischen Schraube. Hierbei bewegt nicht die Schnecke das Wasser, sondern das Wasser treibt die Schnecke an. Das herabfallende Wasser wirkt dabei durch sein Eigengewicht auf die gewendelte Schnecke und setzt sie in Gang. Wasserräder und Wasserkraftschnecken bedienen den kleinen Leistungsbereich.

Turbine

Gegenüber den offen drehenden Wasserrädern und -schnecken sind die Turbinen geschlossen. Bei der Wahl des Turbinentyps kommt es auf die zur Verfügung stehende Fallhöhe und den Durchfluss an. Eine größere Fallhöhe kann dabei einen geringeren Wasserdurchfluss kompensieren und umgekehrt. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Turbine den unterschiedlichen Fallhöhen und Wasserdurchflussmengen angepasst sein. Die größte Verbreitung hat die Francis-Turbine, deren Einsatzbereich sich nach oben mit dem der Pelton-Turbine und nach unten mit dem der Kaplan-Turbinen überschneidet. Während Pelton-Turbinen also bei großen Fallhöhen in Frage kommen, kommen Francis-Turbinen bei niedrigen und mittleren Gefällen sowie mittleren Wassermengen zum Einsatz. Kaplan-Turbinen eignen sich hingegen bei kleinen Fallhöhen und größeren Wassermengen. Die unterschiedlichen Turbinentypen bieten also unterschiedliche Vorteile. Zu diesen Grundformen gibt es noch zahlreiche Varianten.

Der Aufbau einer Wasserkraftanlage

Da die standortspezifischen und naturräumlichen Gegebenheiten an jedem Ort recht individuell sind, gibt es eigentlich keine Wasserkraftanlagen, die vollkommen baugleich sind. Dennoch folgen sie einem prinzipiellen Aufbau. Zu einer Wasserkraftanlage gehört demnach ein Bauwerk zur Wassererfassung (Wehranlage, Staumauer) und zur Wasserzuführung (Obergraben, Leitungen), ein Maschinenhaus (Turbinen, Generatoren) sowie die unterseitige Ableitung (Untergraben, Leitungen).

Wasserkraft unterschiedlich nutzen

Wasserkraftwerke können auch hinsichtlich der Betriebsweise oder zeitlichen Nutzung unterschieden werden. Beim Laufwasserkraftwerk wird die zur Verfügung stehende Energie des Wassers kontinuierlich genutzt. Sie sind an Flüssen gelegen und von deren wechselnder Wasserführung abhängig. Beim Speicherkraftwerk wird das Wasser in einer Talsperre gesammelt und nach Bedarf Strom erzeugt. Ein Pumpspeicherkraftwerk pumpt Wasser durch elektrische Pumpen in einen Stausee, um dieses bei Bedarf wieder für den Antrieb von Turbinen zur Stromerzeugung zu benutzen. Unsere Mitglieder betreiben fast ausschließlich Laufwasserkraftwerke.

Eigenschaften der Wasserkraft für eine stabile Stromversorgung

Verlässliche Stromproduktion mit hohen Volllaststunden.

Verbrauchsnahe Einspeisung ohne große Netzverluste.

Netzstabilisierung durch Bereitstellung von Systemdienstleistungen.

Hohe Versorgungsqualität auf der Verteilnetzebene.

Gewährleistung lokaler Versorgung bei großflächigen Blackouts durch Inselnetz- und Schwarzstartfähigkeit.

Kostengünstiger Baustein der Energieversorgung.

Stetigkeit, Langlebigkeit und Effizienz als Stärken

Laufwasserkraftwerke werden in der Regel kontinuierlich und rund um die Uhr betrieben und geben ihren Strom zur Deckung der Grundlast ins Netz der öffentlichen Versorgung. Das schafft keine andere Form der regenerativen Energieerzeugung.

Aufgrund der langen Erfahrung mit der Stromerzeugung aus Wasserkraft sind die Anlagen technisch sehr ausgereift und betriebssicher. Die Anlagen haben häufig Wirkungsgrade von mehr als 90 Prozent. Betriebszeiten von mindestens 350 Tagen im Jahr sind keine Seltenheit. Zum Teil sind die Wasserkraftwerke mehreren Jahrzehnten alt.

Auch der „Erntefaktor“ – also das Verhältnis von produzierter Energie zu für Bau und Betrieb eingesetzter Energie – spricht für die Wasserkraft. Wasserkraft hat mit einem Erntefaktor von rund 150 den besten Energienutzen. Bei der Kohle dagegen ist im Verhältnis zum Energiegewinn ein hoher Einsatz erforderlich.

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Wirkungsgrade der Anlagen

Geschichte

Tradition seit über 5.000 Jahren

Die Kraft des Wassers wird schon seit über 5.000 Jahren genutzt. Alte Kulturen in China, Ägypten und Mesopotamien haben beispielsweise mit Hilfe der Wasserkraft ihre Felder bewässert. Neben der Muskelkraft von Mensch und Tier war die Wasserkraft damit eine der ersten Energiequellen des Menschen. Wesentlicher Bestandteil der Wasserkraftnutzung bildeten zu Beginn der Entwicklung Wasserräder. Durch Umwandlung der Strömungsenergie in mechanische Energie konnte die Kraft des Wassers u.a. zum Mahlen, Sägen, Schleifen, Pumpen, Gerbstoff produzieren oder auch Pflanzenöl pressen genutzt werden. Gewerbebetriebe siedelten sich also zwangsweise am Wasser an. Erst mit der Erfindung und Einführung der Dampfkraft konnte örtlich flexibler und unabhängig von den Flüssen gearbeitet werden.

Wasserkraft war neben der Muskelkraft eine der ersten Energiequellen des Menschen.

Wasserkraft als Basis für die Elektrifizierung

Ende des 19. Jahrhunderts wurde das dynamo-elektrische Prinzip entdeckt, womit die Umwandlung der Kraft des Wassers in elektrischen Strom und der verlustarme Transport von Strom über weite Strecken möglich wurde. Damit einher ging die Entwicklung von Wasserturbinen. Im Rahmen der internationalen Elektrizitätsausstellung im Jahr 1891 in Frankfurt am Main wurde die erste Fernübertragung elektrischen Stroms realisiert. Produziert wurde dieser Strom von dem 175 km entfernten Wasserkraftwerk in Lauffen am Neckar.

Viele Mühlen wurden seitdem zu kleinen Elektrizitätswerken ausgebaut. Stadtwerke gehen oft auf die Periode der Stromerzeugung mit ehemaligen Mühlen zurück. Dank der zunehmenden Nutzung der Wasserkraft konnte somit in vielen Regionen in Deutschland die Elektrifizierung eingeleitet und der Grundstein für das heutige Versorgungsnetz gelegt werden.

Wasserkraft – eine lange Tradition

Die Nutzung der Wasserkraft …

… hat eine lange Tradition als verlässliche Energiequelle für Industrie- und Gewerbebetriebe.

… wird seit vielen Jahrhunderten durch die heimische Wirtschaft genutzt.

… erhöht die Wettbewerbsfähigkeit des Standortes und des Unternehmens.

… hat häufig erst die Ansiedlung industrieller Betriebe möglich gemacht.

… war wichtiger Wegbegleiter der Industrialisierung in Nordrhein-Westfalen.

… entlang der Gewässer zählt zum Bestandteil unserer Kulturlandschaft.

Konkurrenz durch Kohle und Öl

Der zunehmende Bedarf an elektrischer Energie wurde im Laufe des 20. Jahrhunderts vermehrt durch Kohle und Öl gedeckt. Durch diese Konkurrenz billiger fossiler Energien wurden bis in die 1980er Jahre etwa 50.000 Wasserkraftanlagen stillgelegt. Nur die rentabelsten Wasserkraftwerke blieben weiter in Betrieb. Weltweit wurden fast nur noch große Wasserkraftanlagen an Talsperren neu gebaut.

Trendwende durch Strom­einspeisungs­gesetz

Erst mit der Einführung des Stromeinspeisungsgesetzes im Jahr 1990 begann eine Trendwende und den Betreibern wurde wieder eine bessere wirtschaftliche Grundlage gegeben. Die wichtigsten Merkmale dieses Gesetztes, die sich auch später im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wiederfanden, waren die festen Vergütungssätze und die garantierte Abnahme des Wasserkraftstroms. Etliche Standorte konnten daher wieder reaktiviert und in einigen Fällen sogar auch vollständige Neubauten realisiert werden. Heute sind in Deutschland nur noch ca. 7.600 Anlagen in Betrieb, davon ca. 450 in Nordrhein-Westfalen. Die genauen Standorte der Wasserkraftwerke und Wassermühlen finden sich im Energieatlas NRW. Die aufwendigen und schwierigen Genehmigungsverfahren und umfangreiche ökologischen Auflagen bilden heute das größte Hindernis für eine Erweiterung der Stromerzeugung aus Wasserkraft.

Anlagen sind in Nordrhein-Westfalen in Betrieb