Wasserkraft gibt es ebenso wie Windkraft schon seit Jahrtausenden. Seit mindestens 4000 v. Chr. werden Wasserräder zum Mahlen von Getreide eingesetzt, und bis in die späten 1880er Jahre haben sie Sägewerke angetrieben. Auch in der Stromerzeugung wird Wasserkraft schon erstaunlich lange eingesetzt: Die ersten Staudämme zur Stromerzeugung aus Wasserkraft entstanden in den 1880er Jahren in den USA.
Seitdem hat sich die Wasserkraft weltweit zum größten Lieferanten erneuerbarer Energien entwickelt und liefert rund 4500 Terawattstunden Strom – etwa ein Sechstel der weltweiten Gesamtmenge. Das ist mehr, als alle Solar-, Wind- und andere erneuerbare Energien zusammen erzeugen. Der überwiegende Teil davon wird von riesigen industriellen Wasserkraftwerken an großen Flüssen geliefert. Einige dieser Kraftwerke erbringen enorme Leistungen: Der größte Staudamm der Welt, der Drei-Schluchten-Damm am Jangtse in China, hat unter idealen Bedingungen eine Leistung von 22 500 Megawatt – das ist etwa zehnmal mehr als das größte Solarkraftwerk der Welt, das ebenfalls in China steht.
Das enorme Potenzial der Wasserkraft führt dazu, dass einige Staaten, wie zum Beispiel Norwegen, bis zu 90 Prozent ihres Stroms allein aus Wasserkraft erzeugen können. Diese Statistiken sind jedoch nicht immer so, wie sie scheinen. Obwohl sich die Wasserkraft im globalen Süden ausbreitet, entfernt sich der Rest der Welt von ihr. Im Jahr 1950 wurden 30 Prozent des US-Stroms durch Wasserkraft erzeugt, heute sind es nur noch etwa 6 Prozent. Im Jahr 1965 wurden 98 Prozent der weltweiten erneuerbaren Energien aus Wasserkraft gewonnen, im Jahr 2020 werden es nur noch 57 Prozent sein.
Natürlich ist ein Teil dieses Rückgangs auf den Ausbau anderer erneuerbarer Energiequellen zurückzuführen. Aber auch das Verständnis für die Grenzen der traditionellen Wasserkraftwerke hat zugenommen. Erstens hängt ihr Einsatz in hohem Maße von den idealen lokalen Umweltfaktoren ab. Die Vielzahl steiler Täler und Fjorde in Norwegen ist ideal für Staudämme, während andere Staaten nicht so viel Glück haben. Das bedeutet auch, dass die Skalierung schwierig ist. Wenn immer mehr dieser idealen Standorte genutzt werden, stößt die Wasserkraft an ihre Grenzen.
Dazu kommt: Staudämme führen auch zu weitreichenden Umweltveränderungen. Auch wenn die entstehenden Stauseen mitunter für den Menschen nützlich sein können, stören sie den natürlichen Kreislauf und die Tierwelt. Erst jetzt beginnen Forschende, die Auswirkungen von Staudämmen auf Fischpopulationen zu verstehen.
Staudämme schaffen aber auch menschliche Spannungen. Neue Projekte im globalen Süden, wie etwa entlang des Mekong, des Kongo und des Tigris, verringern den Wasserfluss und schränken den Zugang zu Wasser für jene ein, die Flussaufwärts liegen. Dies führt zu Spannungen zwischen Nationen und Gemeinschaften, und einige Sicherheitsexperten sagen bereits künftige „Wasserkriege“ voraus.
Die Wasserkraft ist jedoch nicht nur auf große Staudämme beschränkt. Weltweit gibt es rund 620.000 Kilometer Küstenlinie, und 2,4 Milliarden Menschen leben in deren Nähe. Nimmt man die unzähligen Kilometer Flussufer hinzu, gibt es noch viel Raum für die Nutzung der Wasserkraft. Im Gegensatz zu Staudämmen sind diese Alternativen jedoch oft nicht auf rauschende Flüsse, sondern auf den Wechsel der Gezeiten und das Brechen der Wellen angewiesen.
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Wechselnde Gezeiten
Die Gezeitenkraft beruht auf der Energiegewinnung durch die Bewegung der Gezeiten, sowohl an der Küste als auch in Flüssen. Es gibt verschiedene Arten von Gezeitenkraftwerken, darunter Gezeitenturbinen und Gezeitensperrwerke. Gezeitenturbinen ähneln sowohl im Aussehen als auch in der Konstruktion den Windturbinen. Auf dem Meeresboden oder in schwimmenden Arrays angeordnet, dreht die Bewegung der Gezeiten die Flügel und erzeugt Strom. Turbinen können auch in Gezeitenströmen aufgestellt werden, um Strom aus der natürlichen Strömung zu erzeugen.
Gezeitensperrwerke funktionieren wie herkömmliche Dämme, werden aber um Gezeitenflüsse, Flussmündungen und Buchten herum gebaut. Mit der Flut füllen sie sich mit Wasser und bilden ein Gezeitenbecken. Geht das Wasser mit der einsetzenden Ebbe zurück, wird das Wasser über ein System von Turbinen abgelassen. Auf diese Weise wird Strom in beide Richtungen erzeugt.
Auch Wellen haben eine enorme Kraft, und diese kann ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt werden. Derzeit gibt es viele verschiedene Ansätze, dies zu tun. Ein deutsches Startup, Nemos, experimentiert mit schwimmenden Plattformen, die über Kabel und Federn mit Generatoren verbunden sind. Andere Methoden umfassen künstliche Stauseen, die die Kraft der Wellen auf Turbinen konzentrieren, Unterwassermembranen, die über Druckunterschiede Strom erzeugen, und Wellen, die Luft durch Generatoren treiben.
Diese Quellen der Wasserkraft haben einige wichtige Vorteile. Erstens ist Wasser dichter als Luft, so dass Gezeitenturbinen mehr Strom erzeugen als gleich große Windturbinen. Zweitens ist die Gezeiten- und Wellenenergie viel gleichmäßiger und leichter vorherzusagen. Die Gezeiten- und Wellenkraft ist theoretisch auch weniger standortgebunden als die Wasserkraft. Nach Angaben der Europäischen Kommission beträgt das weltweite Potenzial der Gezeitenkraft etwa 150-800 TWh pro Jahr – eine hohe, wenn auch etwas ungenaue Schätzung.
Allerdings wurde die Gezeitenkraft bisher nur in relativ geringem Umfang genutzt – bis jetzt. Im Jahr 2016 begannen die Arbeiten am weltweit größten Gezeitenkraftwerk vor den Orkney-Inseln in Schottland. Das Projekt MeyGen, das sich noch im Bau befindet, soll 269 Turbinen unter Wasser installieren und damit potenziell 175 000 Haushalte mit Strom versorgen. Leider konnte bis 2022 nur ein Bruchteil dieser Turbinen tatsächlich installiert werden und nur vier Turbinen sind in Betrieb. Diese produzierten 2019 etwa 13,8 GWh; genug, um etwa 3.800 Haushalte zu versorgen. Bis zum Jahr 2023 sollen im Rahmen des MeyGen-Projekts 15 Turbinen in Betrieb sein.
Die Installation der einzelnen Turbinen ist keine einfache Aufgabe. Jede Turbine steht auf einem 250 bis 350 Tonnen schweren Einzelfundament, das mit sechs 1.200 Tonnen schweren Ballastblöcken verbunden ist. Außerdem wird jede Turbine an ein spezielles Unterwasserkabel angeschlossen, das direkt auf dem Meeresboden verlegt und über horizontale Bohrlöcher an Land gebracht wird.
Die Herausforderungen der Gezeitenkraft
Diese umfangreichen Anforderungen an die Meerestechnik stellen uns vor die größte Herausforderung bei der Gezeitenkraft: die Kosten. Im Vergleich zu Wind- und Solarenergie ist die Gezeitenkraft wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig. Das geplante Gezeitenlagunen-Projekt in der Swansea Bay in Wales, Großbritannien, wird beispielsweise auf 1,3 Milliarden GBP (1,67 Milliarden USD) geschätzt. Ein großer Solarpark, wie der Tengger Desert Solar Park, kostet dagegen nur ein Drittel davon und produziert mehr Strom zu einem günstigeren Tarif. Außerdem kann ein Gezeitenkraftwerk zwei- bis neunmal so teuer sein wie ein Offshore-Windpark. Nach Angaben des US-Energieministeriums von 2019 kostet ein durchschnittliches kommerzielles Gezeitenkraftwerk rund 280 USD pro Megawattstunde. Im Vergleich dazu kostet die Windenergie derzeit etwa 20 USD pro Megawattstunde.
Bei der Gezeitenkraft gibt es noch weitere Komplikationen. Obwohl ein Großteil der Welt aus Küsten besteht, ist nur ein kleiner Teil davon für die Gezeitenkraft geeignet. Die Kosten für Gezeitenprojekte bedeuten, dass wahrscheinlich nur Standorte genutzt werden, die garantiert eine vernünftige Menge an Strom produzieren, wodurch ein Großteil unserer Küsten ungeeignet ist. Am kosteneffizientesten ist die Gezeitenkraft, wenn sie an Küsten installiert wird, die eine große Differenz zwischen Ebbe und Flut aufweisen. Und dann gibt es noch Umweltbedenken. Die marinen Lebensräume an der Küste gehören zu den empfindlichsten Ökosystemen, und viele sind bereits bedroht.
Die Gezeitenenergie hat jedoch einige Vorteile. Eine große Herausforderung für Offshore-Windparks sind die Wartungsanforderungen und -kosten. Gezeitenkraftwerke dagegen müssen zwar auch regelmäßig gewartet werden, befinden sich aber näher an der Küste und haben in der Regel eine längere Lebenserwartung. Das Gezeitenkraftwerk La Rance in Frankreich (Bild oben) ist bereits seit 53 Jahren in Betrieb, das Gezeitenkraftwerk Jiangxia in China seit über 40 Jahren. Im Vergleich dazu haben Windparks nur eine Lebensdauer von etwa 25 Jahren. Die Lebensdauer einiger Gezeitensperrwerke wird auf bis zu 100 Jahre geschätzt, ohne dass ein größerer Austausch erforderlich ist.
Trotz der langen Geschichte der Wasserkraft sind die Gezeiten- und Wellenkraftwerke noch relativ neu und unerforscht. Das schlechte Abschneiden der Gezeitenkraft mit der Wind- und Solarenergie ist größtenteils darauf zurückzuführen, dass bisher viel weniger in die Forschung und Entwicklung der Gezeitenkraft investiert wurde. Einige Expert*innen gehen davon aus, dass die Gezeitenkraft in Bezug auf den Umfang und die Akzeptanz zwei bis drei Jahrzehnte hinter Wind- und Solarenergie zurückliegen könnte. Wie früher bei der Solar- und Windenergie sind die hohen Kosten der Gezeitenkraft wahrscheinlich mit ihrer insgesamt geringen Akzeptanz verbunden. Würden dem Sektor mehr Ressourcen und Aufmerksamkeit gewidmet, so würden die Kosten mit zunehmender Entwicklung der Technologie und zunehmendem Wettbewerb wahrscheinlich sinken. Langfristig könnte die Gezeitenkraft aufgrund ihres zuverlässigen Potenzials zu einer der effizientesten erneuerbaren Energien werden, sowohl was die Leistung als auch die Kosten angeht.
Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.
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