Aufbau und Funktionsweise

Skizze des Aufbaus eines Gezeitenkraftwerkes

Der eine bekannte Typ ist das In-Flow-Gezeitenkraftwerk, welches man sich vorstellen kann wie ein Windrad, nur eines unter Wasser. Diese Bauweise hat den großen Vorteil, dass es, an den geeigneten Stellen platziert, ebenfalls als Strömungskraftwerk verwendet werden kann. Das Wasser durchquert in beiden Fällen Wasser-Turbinen, welche die Bewegung des Wassers in elektrischen Strom umwandeln, wie wir ihn aus der Steckdose bekommen. Gezeitenkraftwerke sind ein spezieller Typ der Wasserkraftwerke, der die Energie der Gezeiten, also von Ebbe und Flut, ausnutzt, um daraus elektrische Energie zu gewinnen. Genauer bedeutet das, dass das Gezeitenkraftwerk die Energie durch die Erdrotation und die Anziehung durch den Mond gewinnt, denn durch dieses Zusammenspiel sind Ebbe und Flut erst möglich. Den anderen der beiden verbreitetsten Kraftwerktypen, den in der Staudamm-Bauweise, kann man sich vorstellen wie eine Art Schleuse, die an einer Flussmündung oder bei einer Meeresbucht angebracht ist, durch die das Wasser bei Flut in die eine Richtung hinein- und bei Ebbe wieder in die andere Richtung hinausströmt. Die Anforderung an die Turbine ist hier, dass sie eine Zweiweg-Turbine sein muss, da sie ihre Effizienz verdoppelt, wenn sie dem Wasser nicht nur beim Strömen in eine Richtung Energie entziehen kann. Die beliebteste der Turbinen hier ist die Kaplan-Turbine. Diese kann eine Effizienz von bis zu 96 % erreichen und kommt gut auch mit sehr großen Wassermassen zurecht.

Energie

Gezeitenkraftwerke sind imstande, beträchtliche Energiemengen zu produzieren. So produzieren alleine die größten 6 Kraftwerke knapp über 520 MW, was sich auf ein volles Jahr gerechnet mit 4,56 TWh schon recht viel anhört, im Vergleich zu dem gesamten Energieverbrauch der Welt, der laut Statista 2019 bei 23,8 Petawattstunden lag, aber doch sehr wenig ist (0,002 %). Das größte Gezeitenkraftwerk, das aktuell im Betrieb ist, ist das Kraftwerk Sihwa-ho, welches in der Damm-Bauweise in einer Bucht in Südkorea gebaut ist und ca. 254 MW Energie produziert. Das mit großem Abstand zu Platz drei auf Platz zwei liegende Kraftwerk ist das Kraftwerk La Rance in Nordwestfrankreich. Dieses ist ebenfalls in der Dammbauweise gebaut und produziert etwa 240 MW. Ein großer Vorteil der Gezeitenkraftwerke ist, dass sie fast bei jedem Wetter Energie produzieren können. Im Gegensatz zu klassischen Windkraft- oder Solaranlagen funktionieren Gezeitenkraftwerke unabhängig von Regen oder Bewölkung. Das einzige, was Gezeitenkraftwerke beeinflussen kann, sind Nipp- oder Springtiden, wobei Letztere, wenn sie heftiger ausfallen, die Kraftwerke sogar beschädigen, im schlimmsten Fall sogar zerstören können. Auch im Normalbetrieb ist die Energieproduktion bei diesem Kraftwerkstyp nicht gleichmäßig, da Ebbe und Flut nicht gleichmäßig ansteigen, sondern eher wie eine Sinuskurve verlaufen, was zur Folge hat, dass beim Wechsel von Ebbe und Flut fast keine Energie produziert werden kann. An dieser Stelle sind die Kraftwerke, die an Flussmündungen platziert sind, im Vorteil, da diese, je nachdem wie viel Wasser der Fluss führt, die Möglichkeit haben, durch das aus dem Fluss kommende Wasser immer ein Minimum an Strom produzieren zu können. Die Kraftwerke der Dammbauweise haben oft einen weiteren entscheidenden Vorteil, da sie imstande sind, das bei der Flut durch den Damm geflossene Wasser zu behalten und erst bei Energiebedarf wieder abzugeben. Ein Teil von ihnen wurde dabei so konstruiert, dass sie auch imstande sind, Wasser hoch in den Stauraum zu pumpen, wobei sie als sogenannte Pumpspeicherkraftwerke fungieren, die hier später auch noch einmal näher beschrieben werden. Da Energietransport heute immer noch ein riesiges Thema ist, da er mit großen Energieverlusten verbunden ist, ist es das Effizienteste, die Energie der Gezeitenkraftwerke möglichst ortsnahe zu nutzen, weshalb nur wenige davon profitieren können, da es nur sehr begrenzt Möglichkeiten gibt, diese auch letztendlich zu bauen. Aktuell wird die produzierte Energie der Kraftwerke in das normale Stromnetz eingeleitet und wird so sowohl für Haushalte als auch für die Industrie verwendet.

Standortwahl

Gezeitenkraftwerke haben hohe Anforderungen bezüglich ihres Standortes. Erst einmal ist klar, wie auch schon zuvor gesagt, dass ein Gezeitenkraftwerk an einer Meeresbucht oder einer Flussmündung platziert sein muss und im Gegensatz zu anderen Wasserkraftwerktypen wie den Wellen- oder den Strömungskraftwerken nicht auf dem offenen Meer verwendet werden kann. Diese müssen, damit sich ein Bau lohnt, außerdem mindestens 10 m breit sein und einen großen Stauraum bereitstellen können. Was die Anzahl der möglichen Standorte laut optimistischen Prognosen auf etwa 100 in Europa beschränkt, ist, dass ein solches Kraftwerk, um effizient zu sein, einen Tidenhub von mindestens 5 Metern benötigt, der nur an wenigen Küsten gegeben ist.

Vor- und Nachteile

Ein entscheidender Nachteil der Gezeitenkraftwerke ist, dass sie der umgebenden lebendigen Natur großen Schaden zufügen, da beispielsweise ein Fisch es oft nicht überlebt, durch eine Turbine durchzuschwimmen. Auch problematisch ist die Korrosionsanfälligkeit durch den Salzgehalt des Wassers. Wer schon mal ein angeschwemmtes Stück Metall oder eine Stelle an einem Schiff gesehen hat, wo der Lack fehlt, weiß, wie schädlich Salzwasser für Metalle sein kann. Wenn wir nun bedenken, dass die Reibungsbelastung durch das Wasser bei einer Turbine, durch die täglich Tausende von Kubikmetern an Wasser fließen, noch viel größer ist, ist es kaum verwunderlich, dass hier ein hoher Materialverschleiß nicht ohne weiteres zu vermeiden ist. Schwierig ist auch die Verstopfung durch Sand und andere Sedimente, da diese immer im Wasser vorhanden sind und in der Turbine hängen bleiben können, was deren Effizienz deutlich verringern kann. Regionen ausschließlich davon abhängig zu machen, ist auch sehr schwierig, da diese Kraftwerke ihre Energie nicht konstant genug produzieren. Dennoch sind sie im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Solar- oder Windkraftanlagen sehr zuverlässig, da Wind und Sonne um ein Vielfaches schlechter zu berechnen sind als Gezeiten, die auch wenn sie mal stärker und mal schwächer ausfallen, immer in gleichmäßigem Abstand (12 Stunden und 24 Minuten) auftreten. Auch die begrenzten Möglichkeiten der Standortwahl sind ein großer Nachteil, da deshalb diese Energie mit unserer heutigen Transporttechnologie ohne große Verluste nur an wenigen Orten nutzbar ist. Für uns in Deutschland ist das ein sehr entscheidendes Kriterium, da sowohl die Nord- als auch die Ostsee einen vergleichsweise geringen Tidenhub von nur etwa 2-3,5 Metern besitzen und sich daher nicht für Gezeitenkraftwerke eignen. Trotz der hohen Korrosion sind die neueren dieser Kraftwerke durch sehr beständiges Material recht langlebig (ca. 120 bis 200 Jahre mögliche Nutzungszeit) und haben nur geringe Betriebs- und Wartungskosten, was die Gewinne weiter steigert. Ein sehr entscheidender Vorteil dieser Kraftwerke ist im Gegensatz zu Kohle- oder Atomkraftwerken, dass kein bleibender Müll entsteht und die Kraftwerke klimaneutral sind, was noch lange nicht bedeutet, dass sie auch vor dem Klimawandel geschützt sind. Ganz im Gegenteil: Da die Kraftwerke fest installiert sind und dadurch auf eine bestimmte Meeresspiegelhöhe angewiesen sind, kann ein steigender Meeresspiegel für einige der Kraftwerke das Aus bedeuten. Sehr vorteilhaft ist es außerdem, dass viele der Kraftwerke ihr Wasser von der Flut auch zurückhalten können oder bei Energieüberschuss im Netz sogar imstande sind durch Pumpen das Wasser in den Speicherbereich (also die Lagune oder den Fluss) hochzupumpen, wodurch diese dann auch als Pumpspeicherkraftwerke fungieren können. Vorteilhaft ist auch, dass die Kraftwerke fast unsichtbar sind, und nur als normale Dammmauern auffallen. Durch die einfache, aber sehr effektive Technik (hoher Wirkungsgrad), können außerdem Seen besser von Tieren sowie auch von Menschen für z.B. Trinkwasser oder neue Fischzuchtanlagen genutzt werden.

Geschichtliche Entwicklung

Die ersten Vorläufer der Gezeitenkraftwerke sind die Gezeitenmühlen, die in England im frühen siebten, vielleicht sogar schon im sechsten Jahrhundert gebaut wurden. Diese nutzen die Energie der Gezeiten aus, um beispielsweise Mehl zu mahlen. Diese funktionierten vom Prinzip schon genau so wie die heutigen Gezeitenkraftwerke und hatten dementsprechend dieselben Anforderungen an den Tidenhub, der an der englischen Küste aber größtenteils gegeben ist. Der ersten Vorläufer der heutigen Gezeitenkraftwerke ist ein detaillierter Versuchsaufbau des amerikanischen Ingenieurs Olus J. Stewart aus dem Jahr 1933. Diese Anlage sollte eingefangene Brandungswellen in elektrischen Strom umwandeln und war ein voller Erfolg. Es dauerte anschließend immer noch 33 Jahre, bis die erste große Anlage, heute immer noch die zweitgrößte Anlage ihrer Art weltweit, in Frankreich in Betrieb genommen wurde, die heute immer noch läuft.

Zukunftsfähigkeit

Die Zukunftsfähigkeit dieser Art der Wasserkraftwerke ist eher gering, da das gesamte mögliche Energiepotenzial auf gerade einmal 30.000 MW geschätzt wird, was auf ein Jahr gerechnet 262,8 TWh entspricht. Was in Relation zum aktuellen Energiebedarf zwar recht viel aussieht (über 10 %), wenn man bedenkt, dass der Bedarf der Menschheit, bis dieses Potenzial ausgereizt sein könnte, sich bereits um ein Vielfaches vergrößert haben könnte, doch eigentlich recht wenig ist. Eine mögliche Art, wie Gezeitenkraftwerke eine noch größere Zukunft haben könnten, wäre über den sogenannten elektrokinetischen Effekt. Diese Technologie ist aber leider noch absolut in der Frühphase und noch nicht einmal mehr in der experimentellen Phase angelangt. Andere Arten von Wasserkraftwerken, wie die Strömungskraftwerke, die ihre Energie aus dem Meer und nicht nur durch hinabfließende Flüsse gewinnen, haben allerdings ein sehr großes Zukunftspotenzial und stecken ebenfalls noch lange in den Kinderschuhen.

Funktionsweise

Skizze des Aufbaus eines Pumpspeicherkraftwerkes

Genau wie die Gezeitenkraftwerke sind auch die Pumpspeicherkraftwerke ein spezieller Typ der Wasserkrafwerke. Pumpspeicherkraftwerke haben, wie der Name schon sagt, primär die Funktion, Energie zu speichern, nicht Energie zu produzieren. Die Form der gespeicherten Energie ist hier nicht etwa chemische Energie wie bei einer Batterie oder einem Akkumulator und auch nicht wie bei einem Kondensator direkt elektrische Energie, sondern potentielle Energie. Genauer gesagt in Form von Lageenergie, was bedeutet, dass die Energie in Form eines Höhenunterschieds gespeichert wird. Als Medium dient hier Wasser, das mittels einer Pumpe in einen höher gelegenen Stauraum transportiert wird. Besteht Bedarf, kann schnell und unkompliziert Wasser durch Turbinen nach unten abgelassen werden. Ist überschüssige Energie im Netz, werden davon die Pumpen betrieben, die das Wasser hochpumpen. Ein Pumpspeicherkraftwerk kann so schnell und unkompliziert große Mengen an Energie speichern und bereitstellen. Zu einem Pumpspeicherkraftwerk gehören so immer ein Tiefbecken, aus dem das Wasser nach oben gepumpt werden kann, ein höher gelegenes Speicherbecken, in das das Wasser hochgepumpt werden kann, eine Turbine, die das abfließende Wasser in Strom umwandeln kann, und eine elektrische Pumpe, die mit Strom aus dem Netz das Wasser nach oben befördert. Bei dem Motor der Pumpe handelt es sich meistens um eine Drehstrom-Asynchronmaschine, da diese für sehr große Lasten am besten geeignet ist.

Geschichte

Schon vor Beginn der Industrialisierung wurden die ersten Vorläufer der heutigen Pumpspeicherkraftwerken gebaut. Damals wurde das Wasser mittels der Kraft von Windmühlen an höhergelegene Stellen gepumpt und konnte bei fehlendem Wind durch Wasserräder wieder hinabgelassen werden, wodurch beispielsweise mechanische Webstühle in Betrieb gehalten werden konnten. So konnte schon früh eine relative Wetterunabhängigkeit erreicht werden. Das erste stromspeichernde moderne Pumpspeicherkraftwerk war ein Modellversuch des deutschen Ingenieurs Arthur Koepchen. Nach diesem Modell wurde das erste größere Pumpspeicherkraftwerk von RWE zwischen 1927-1930 gebaut. Seit dieser Zeit sind Pumpspeicherkraftwerke die Nummer eins der Energiespeicherung, da sie diese in großen Mengen gleichmäßig und zuverlässig wetterunabhängig zur Verfügung stellen können. Während Pumpspeicherkraftwerke ursprünglich hauptsächlich dazu gedacht waren, in kurzer Zeit sehr große Energiemengen bereitstellen zu können, hat sich ihr Nutzungsbild in der Energiewende deutlich verändert, da die großen Mengen an Solaranlagen vor allem mittags im Sommer große Energiemengen produzieren. So sind diese heutzutage im Spätsommer oft randvoll und sind dazu da, für die sonnenärmeren Zeiten große Energiemengen langfristig zu speichern.

Energie

Wirtschaft

Pumpspeicherkraftwerke erwirtschaften Gewinne, indem sie Energie bei Energieüberschuss zu niedrigerem Preis einkaufen und später, bei Energiemangel, zu höherem Preis wieder verkaufen. Da sie selbst eine Verlustleistung von 20 - 30 % besitzen, muss die Differenz im Energiepreis sehr groß sein, was dafür sorgt, dass die für sehr viel Geld gebauten Kraftwerke sich erst nach einer sehr großen Armortisierungszeit von bis zu 80 Jahren wirtschaftlich lohnen. Da dies wesentlich mehr als die Arbeitszeit der Firmenbesitzer ist, haben diese im Moment keinen Grund, eine solche wirtschaftliche Investition zu tätigen. Trotz dieser sinkenden Profitabilität heißt das noch lange nicht, dass diese Kraftwerke nicht mehr benötigt werden. Ganz im Gegenteil: Da die neuen erneuerbaren wetterabhängig sind und bei Wind und Sonnenschein oft so viel Energie produzieren, dass im Netz sogar eine Überlastung droht, sind sie zwingend für eine funktionierende Energiewende notwendig. Laut Peter Apel, dem Chef der Wasserkraftsparte des Energiekonzerns Vattenfall, wird die "stabilisierende Funktion der Anlagen im Stromnetz bis hin zu Blackout-Schutz bei Stromausfall [...] nicht honoriert. [...] Die Befreiung von den Netzentgelten würde helfen", sagte er, womit er darauf ansprach, dass Pumpspeicherkraftwerke, da sie keine eigene Energie herstellen, wie Endverbraucher behandelt werden, womit ihr gesellschaftlicher Nutzen vollständig ignoriert wird. Dennoch sind neben anderen Möglichkeiten, Energie zu speichern, wie Akkumulatoren, Pumpspeicherkraftwerke die einzige Möglichkeit, bei der die Armortisierungszeit geringer als die Lebenserwartung ist, also die einzige Möglichkeit bis heute, bei der überhaupt ein Gewinn erwirtschaftet werden kann.

Vor- und Nachteile

Ein großer Vorteil der Pumpspeicherkraftwerke ist, dass sie schwarzstartfähig sind, da nur geringe Energiemengen benötigt werden, um sie in Betrieb zu nehmen, was bei Stromausfällen natürlich essentiel wichtig ist. Ebenfalls im Falle eines Blackouts ist das von Vorteil. Netzregulierend können diese Monster von Kraftwerken wiederrum allerdings sehr präzise wirken, da die Menge an Wasser, das abgelassen wird und damit auch die Strommenge präzise reguliert werden kann. Unumgänglich sind sie auch für eine erfolgreiche Energie- bzw. Klimawende, da sie einerseits selbst natürlich CO2-neutral sind, andererseits aber auch für den vollständigen Umstieg auf erneuerbare Energien unumgänglich sind, da Solar-, Wind- und Wasserkraftwerke ungleichmäßig und wetterabhängig Energie produzieren, weshalb es nötig ist, dass diese Energie bei Überproduktion zwischengespeichert werden kann und bei Unterproduktion zurück ins System gegeben werden kann. Andererseits könnte die Netzspannung nicht ohne wetterunabhängig funktionierende Kraftwerke, wie Kohle- oder Atomkraftaftwerke, stabil gehalten werden. Was einerseits auch von anderen Speichermethoden übernommen werden könnte, ist bei den Pumpspeicherkraftwerken, die eine hohe Lebensdauer von über 80 Jahren besitzen, mit großem Abstand am billigsten. Die preiswerte Speicherung, die noch ein Monopol der Kraftwerke ist, ist allerdings in Zukunft keinesfalls gesichert, da schon an Methoden geforscht wird, die wesentlich verlustärmer sind und ein großes Zukunftspotential besitzen. Problematisch bei dem Bau von Pumpspeicherkraftwerken ist nicht nur die große Armortisierungszeit und die hohen Baukosten, sondern auch der große Eingriff in die Natur durch einen so massiven Bau. Sind Speicherbecken nicht, was sie nur in den seltesten Fällen sind, perfekt vorhanden, müssen große Ausgrabungen und Staumauern gebaut werden, was die Natur in vielen Fällen negativ beeinflusst. Auch unvorteilhaft an großen, Energie zentral speichernden Speichermethoden ist der große Transportweg. Pumpspeicherkraftwerke, die ja eigentlich in großer Zahl vorhanden sind, einfach gleichmäßig zu verteilen ist leider nicht möglich, da nur an wenigen Stellen große natürliche nutzbare Höhenunterschiede vorhanden sind, was zur Folge hat, dass die Kraftwerke an einigen Stellen in größerer Zahl vorhanden sind, in viel großflächigem Flachland aber überhaupt nicht. Problematisch ist das, da Energietransport über größere Strecken heute immer noch sehr teuer ist.