Wissen : Strom aus dem Strom

Forscher entwickeln ein umweltverträgliches Wasserkraftwerk

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Der Anteil erneuerbarer Energiequellen im deutschen Strommix soll steigen. Schon 2020 soll er knapp 39 Prozent betragen; 2009 waren es gerade 16 Prozent. Während Sonnen- und Windenergie noch ausgebaut werden können, ist bei der Wasserkraft bereits heute weitgehend Schluss. Neue Staumauern dürfen in Deutschland kaum noch errichtet werden, damit die natürliche Umwelt keinen weiteren Schaden nimmt und freie Flussabschnitte erhalten bleiben. Ein Ausbau der Wasserkraft ist fast nur möglich, indem bestehende Anlagen verbessert werden oder indem man kleine Kraftwerke entwickelt, die wenig kosten, kaum Eingriffe in die Natur erfordern und darum auch an bislang unwirtschaftlichen Standorten rentabel arbeiten.

Wie das gehen kann, zeigen Wissenschaftler der Technischen Universität München. Peter Rutschmann von der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft und seine Kollegen haben das Konzept eines Schachtkraftwerks entwickelt. Dabei steckt das gesamte Kraftwerk unter Wasser in einem senkrechten Schacht vor der Staumauer.

Das gestaute Wasser fließt auf zwei Wegen ab. Eine kleine Menge fließt geradeaus durch eine offene Klappe in der Mauer. Das meiste Wasser strömt nach unten durch den Schacht und treibt dort eine Turbine an. Der Schacht leitet das Wasser direkt hinter der Staumauer zurück in den Fluss.

„Ein Vorteil dieser Konstruktion ist, dass sie Fische flussabwärts ganz einfach passieren lässt“, sagt Albert Sepp, der die Entwicklungsarbeiten leitet. Um zu verhindern, dass die Tiere in die Turbine geraten, ist der Schacht mit einem feinmaschigen Rechen abgedeckt, erläutert Sepp. „Das Wasser strömt mit niedriger Geschwindigkeit durch den Rechen, so dass die Fische sich von dem Gitter lösen können.“ Um ihre Reise dann durch die Öffnung im oberen Teil fortzusetzen. Damit die Fische auch flussaufwärts an der Staumauer vorbeikommen, sei ein Fischaufstieg nötig, ein kleiner Wasserlauf, der an der Mauer vorbeiführt.

„Das Konzept hört sich vernünftig an“, urteilt Franz Pöter vom Bund für Umwelt und Naturschutz in Deutschland (Bund). Jede Staumauer in einem Fluss behindere wandernde Fische, mehrere Mauern hintereinander machten ein Gewässer für die Tiere kaum noch passierbar. Zudem kämen zahlreiche Fische und Kleinlebewesen in Turbinen zu Tode. „Bei dem Schachtkraftwerk aus München ist dieses Problem offenbar gelöst“, sagt Pöter. Seiner Einschätzung nach steht bei herkömmlichen Kleinwasserkraftwerken die gewonnene Energie oft in einem schlechten Verhältnis zu den Folgen, die das Bauwerk für die Umwelt hat. Daher seien neue Lösungen gefragt, um bestehende Anlagen zu modernisieren. Vorausgesetzt, es verbesserten sich Energiegewinn und ökologische Verträglichkeit.

Das neue Schachtkraftwerk funktioniert mit speziellen Kleinturbinen, die in den vergangenen Jahren entwickelt wurden. Sie bilden zusammen mit dem stromerzeugenden Generator eine Einheit, die vollständig unter Wasser arbeitet. „Der Generator muss nicht wie bei bisherigen Anlagen in einem gesonderten Gebäude stehen“, erläutert Sepp. „Wir können also darauf verzichten, das Ufer zu bebauen.“ Zudem führe die Totalüberflutung des Kraftwerks dazu, dass es keinen Lärm mache. Mit dem Nachteil, dass man schlechter an den Generator herankomme. Die Technik soll daher so ausgelegt sein, dass das Schachtkraftwerk wartungsarm läuft und kaum Reparaturen erfordert.

Der Einlass zum Schacht etwa reinigt sich während des Betriebs selbst: Wird die Klappe in der Staumauer stark geöffnet, schießt das Wasser quer über den Schachteinlass und spült Kies und Steine fort, die sich dort abgesetzt haben. Viele herkömmliche Kraftwerke benötigen noch eine Kies-Schleuse mit Absetzbecken, um das Versanden des Turbineneinlaufs zu verhindern; laut Sepp ist das bei dem neuen Schachtkraftwerk nicht nötig.

Nach Schätzungen der Forscher werden die Baukosten gegenüber einem herkömmlichen Buchtenkraftwerk um 30 bis 50 Prozent niedriger ausfallen. Dadurch soll das Schachtkraftwerk auch noch an Staumauern rentabel arbeiten, die nur eineinhalb bis zwei Meter Fallhöhe des Wassers haben. Etwa das Doppelte brauchen die konkurrierenden Buchtenkraftwerke, um rentabel zu laufen. Der produzierte Strom pro Schacht kann bis zu einem Megawatt betragen. Das genügt, um eine kleine Gemeinde mit Haushaltsstrom zu versorgen. Die Leistung ließe sich steigern, indem mehrere Schächte nebeneinandergebaut werden.

Die Münchner Forscher haben ihren Entwurf bereits zum Patent angemeldet, momentan testen sie ihn im Modell und an einer Pilotanlage. „Wir haben mittlerweile viele internationale Anfragen nach unserem Konzept und planen die Zusammenarbeit mit einem der weltgrößten Turbinenhersteller“, berichtet Sepp. Es gebe bereits Pläne für Kraftwerke in Südbayern. Bei möglichen Einsatzorten für ihre Erfindung haben die Forscher aber nicht nur Deutschland im Blick. Auch für wenig entwickelte Länder, wo Stromnetze fehlen, sind die neuen Schachtkraftwerke interessant. Dort könnten kleine, kostengünstige und wartungsarme Kraftwerke viele Menschen mit Strom beliefern. Frank Schubert

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