Wasserkraft

Wasserkraft , auch Hydroelektrizität genannt , ist Strom, der aus Wasserkraft erzeugt wird . Wasserkraft deckt 15 % des weltweiten Strombedarfs , fast 4.210  TWh im Jahr 2023 ^{[ 1 ].} Das ist mehr als alle anderen erneuerbaren Energiequellen zusammen und auch mehr als Kernkraft ^{[ 2 ]} . Wasserkraft kann große Mengen CO₂-armen Stroms bedarfsgerecht bereitstellen und ist somit ein Schlüsselelement für sichere und saubere Stromversorgungssysteme ^{[ 2 ]} . Ein Wasserkraftwerk mit Staudamm und Speicherbecken ist eine flexible Energiequelle, da die Stromerzeugung innerhalb von Sekunden oder Minuten an den schwankenden Strombedarf angepasst werden kann. Nach der Errichtung eines Wasserkraftwerks entstehen keine direkten Abfälle, und es werden fast immer deutlich weniger Treibhausgase emittiert als fossile Kraftwerke ^{[ 3 ]} . Wird ein Wasserkraftwerk jedoch in Tieflandregenwaldgebieten errichtet , wo Teile des Waldes überflutet werden, können erhebliche Mengen an Treibhausgasen freigesetzt werden ^{[ 4 ] .}

Der Bau von Wasserkraftwerken kann erhebliche Umweltauswirkungen haben, vor allem durch den Verlust von Ackerland und die Umsiedlung von Bevölkerungsgruppen. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Zudem wird die natürliche Ökologie des betroffenen Flusses gestört, was sich auf Lebensräume und Ökosysteme sowie auf Versandung und Erosion auswirkt. Obwohl Staudämme das Hochwasserrisiko mindern können, kann ein Dammbruch katastrophale Folgen haben.

Im Jahr 2021 erreichte die weltweit installierte elektrische Leistung von Wasserkraftanlagen fast 1.400 GW und lag damit an der Spitze aller erneuerbaren Energietechnologien. ^{[ 7 ]} Wasserkraft spielt in Ländern wie Brasilien, Norwegen und China eine führende Rolle. ^{[ 8 ]} Es bestehen jedoch geografische Grenzen und Umweltprobleme. ^{[ 9 ]} Gezeitenkraft kann in Küstenregionen genutzt werden.

China installierte 2022 zusätzliche Wasserkraftkapazitäten in Höhe von 24 GW, was fast drei Viertel des weltweiten Zubaus ausmachte. Europa verzeichnete einen Zubau von 2 GW, den größten Wert für die Region seit 1990. Weltweit stieg die Wasserkrafterzeugung 2022 um 70 TWh (plus 2 %) und bleibt die größte erneuerbare Energiequelle, die alle anderen Technologien zusammen übertrifft. ^{[ 10 ]}

Wasserkraft wird seit der Antike zum Mahlen von Mehl und für andere Arbeiten genutzt. Ende des 18. Jahrhunderts lieferte die Wasserkraft die notwendige Energiequelle für den Beginn der Industriellen Revolution . ^{[ 12 ]} Mitte des 18. Jahrhunderts veröffentlichte der französische Ingenieur Bernard Forest de Bélidor sein Werk „Architecture Hydraulique“ , in dem er hydraulische Maschinen mit vertikaler und horizontaler Achse beschrieb. 1771 trug Richard Arkwrights Kombination aus Wasserkraft , dem sogenannten Waterframe , und kontinuierlicher Produktion maßgeblich zur Entwicklung des Fabriksystems mit modernen Beschäftigungspraktiken bei. ^{[ 13 ]} In den 1840er Jahren wurden Wasserkraftnetze entwickelt, um Wasserkraft zu erzeugen und an die Endverbraucher zu übertragen.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurde der elektrische Generator entwickelt und konnte nun mit Hydraulik gekoppelt werden. ^{[ 14 ]} Die steigende Nachfrage infolge der Industriellen Revolution trieb die Entwicklung zusätzlich voran. ^{[ 15 ]} 1878 errichtete William Armstrong in Cragside , Northumberland , England, das weltweit erste Wasserkraftwerk . Es diente der Stromversorgung einer einzelnen Bogenlampe in seiner Kunstgalerie. ^{[ 16 ]} Das alte Schoelkopf-Kraftwerk Nr. 1 in den USA, nahe den Niagarafällen , nahm 1881 die Stromproduktion auf. Das erste Wasserkraftwerk von Edison , das Vulcan Street Plant , ging am 30. September 1882 in Appleton, Wisconsin , mit einer Leistung von etwa 12,5 Kilowatt in Betrieb. ^{[ 17 ]} Bis 1886 gab es 45 Wasserkraftwerke in den Vereinigten Staaten und Kanada; 1889 waren es allein in den Vereinigten Staaten bereits 200. ^{[ 14 ]}

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts errichteten kommerzielle Unternehmen zahlreiche kleine Wasserkraftwerke in den Bergen nahe der Ballungsräume. Grenoble in Frankreich war 1925 Austragungsort der Internationalen Ausstellung für Wasserkraft und Tourismus ^{[ 18 ]} , die über eine Million Besucher anzog. 1920, als bereits 40 % des in den Vereinigten Staaten erzeugten Stroms aus Wasserkraft stammten, trat der Federal Power Act in Kraft. Dieses Gesetz schuf die Federal Power Commission zur Regulierung von Wasserkraftwerken auf Bundesland und -gewässern. Mit dem Wachstum der Kraftwerke entwickelten die zugehörigen Staudämme zusätzliche Funktionen, darunter Hochwasserschutz , Bewässerung und Schifffahrt . Für die großflächige Entwicklung wurde eine staatliche Förderung notwendig, und es entstanden bundeseigene Unternehmen wie die Tennessee Valley Authority (1933) und die Bonneville Power Administration (1937). ^{[ 15 ]} Parallel dazu errichtete das Bureau of Reclamation , das Anfang des 20. Jahrhunderts eine Reihe von Bewässerungsprojekten im Westen der USA begonnen hatte, nun große Wasserkraftprojekte wie den Hoover-Staudamm von 1928 . ^{[ 19 ]} Das United States Army Corps of Engineers war auch an der Wasserkraftentwicklung beteiligt, stellte 1937 den Bonneville-Staudamm fertig und wurde durch den Flood Control Act von 1936 als führende Bundesbehörde für Hochwasserschutz anerkannt. ^{[ 20 ]}

Wasserkraftwerke wurden im Laufe des 20. Jahrhunderts immer größer. Wasserkraft wurde als „weiße Kohle“ bezeichnet. ^{[ 21 ]} Das Hoover- Kraftwerk mit seiner ursprünglichen Leistung von 1.345 MW war 1936 das größte Wasserkraftwerk der Welt; es wurde 1942 vom Grand-Coulee-Staudamm mit 6.809 MW übertroffen. ^{[ 22 ]} Der Itaipu-Staudamm in Südamerika wurde 1984 als größtes Wasserkraftwerk mit einer Leistung von 14 GW eröffnet , wurde aber 2008 vom Drei-Schluchten-Damm in China mit 22,5 GW übertroffen . Wasserkraft deckte schließlich in einigen Ländern, darunter Norwegen , die Demokratische Republik Kongo , Paraguay und Brasilien , über 85 % des Strombedarfs.

Die Internationale Energieagentur (IEA) erklärte 2021, dass verstärkte Anstrengungen zur Eindämmung des Klimawandels erforderlich seien . ^{[ 23 ]} Einige Länder haben ihr Wasserkraftpotenzial bereits stark ausgeschöpft und verfügen nur noch über geringes Wachstumspotenzial: Die Schweiz nutzt 88 % ihres Potenzials, Mexiko 80 %. ^{[ 24 ]} Im Jahr 2022 veröffentlichte die IEA eine Basisszenario-Prognose, die einen Anstieg der Wasserkrafterzeugung um 141 GW im Zeitraum 2022–2027 voraussagte. Dieser Wert liegt etwas unter dem Anstieg von 2017–2022. Aufgrund der langen Genehmigungs- und Bauzeiten schätzt die IEA, dass der Wasserkraftzuwachs begrenzt bleiben wird und im beschleunigten Szenario lediglich zusätzliche 40 GW möglich sind. ^{[ 7 ]}

Die IEA erklärte 2021, dass umfangreiche Modernisierungs- und Sanierungsmaßnahmen erforderlich seien. ^{[ 2 ] : 67}

Querschnitt eines konventionellen Wasserkraftwerks

Pumpspeicherkraftwerk

Laufwasser

Gezeiten

Der größte Teil der Wasserkraft stammt aus der potenziellen Energie des gestauten Wassers, die eine Wasserturbine und einen Generator antreibt . Die aus dem Wasser gewonnene Energie hängt vom Volumen und vom Höhenunterschied zwischen Quelle und Auslauf ab. Dieser Höhenunterschied wird als Fallhöhe bezeichnet . Ein großes Rohr (die Druckleitung ) transportiert das Wasser vom Stausee zur Turbine. ^{[ 25 ]}

Dieses Verfahren erzeugt Strom zur Deckung von Spitzenlasten, indem Wasser zwischen unterschiedlich hoch gelegenen Speichern umgeleitet wird . Bei geringem Strombedarf wird die überschüssige Erzeugungskapazität genutzt, um Wasser in den höher gelegenen Speicher zu pumpen und so die Nachfrage zu decken . ^{[ 2 ]} Steigt der Bedarf, wird Wasser mittels einer Turbine zurück in den tiefer gelegenen Speicher geleitet. Im Jahr 2021 stellten Pumpspeicherkraftwerke fast 85 % der weltweiten Netzspeicherkapazität von 190 GW bereit ^{[ 2 ]} und verbesserten den täglichen Auslastungsgrad des Stromerzeugungssystems. Pumpspeicherkraftwerke sind keine Energiequelle und werden in Listen mit negativen Werten geführt. ^{[ 26 ]}

Laufwasserkraftwerke verfügen über ein geringes oder gar kein Speichervolumen, sodass für die Stromerzeugung nur das Wasser aus dem Oberlauf zur Verfügung steht und überschüssiges Wasser ungenutzt abfließen muss. Eine konstante Wasserversorgung aus einem See oder einem bestehenden Stausee im Oberlauf ist ein wesentlicher Vorteil bei der Standortwahl für Laufwasserkraftwerke. ^{[ 27 ]}

Gezeitenkraftwerke nutzen den täglichen Anstieg und Abfall des Meeresspiegels durch die Gezeiten. Diese Energiequellen sind gut vorhersagbar und können, sofern die Bedingungen den Bau von Stauseen zulassen, auch zur Stromerzeugung in Zeiten hohen Bedarfs eingesetzt werden . Weniger verbreitete Wasserkraftanlagen nutzen die kinetische Energie des Wassers oder ungestaute Quellen wie unterschlächtige Wasserräder . Gezeitenkraft ist weltweit nur an relativ wenigen Standorten wirtschaftlich nutzbar. ^{[ 28 ]}

Leitungskraftwerke nutzen die mechanische Energie des Wassers, das über künstliche Leitungen im Rahmen des Wasserversorgungssystems transportiert wird, um Strom zu erzeugen. In der Regel handelt es sich bei den Leitungen um bestehende Wasserleitungen, wie sie beispielsweise in der öffentlichen Wasserversorgung zu finden sind . ^{[ 29 ]} Einige Definitionen erweitern den Begriff der Leitungen auf bestehende Tunnel, Kanäle oder Aquädukte , die primär für andere Zwecke der Wasserversorgung als der Stromerzeugung genutzt werden. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

Die Klassifizierung von Wasserkraftwerken beginnt mit zwei Hauptkategorien: ^{[ 32 ]}

• Kleinwasserkraftwerke ( SHP ) und
• große Wasserkraftwerke (LHP).

Die Einstufung eines Kraftwerks als Klein- oder Kleinwasserkraftwerk basiert primär auf seiner Nennleistung . Der Schwellenwert variiert je nach Land, aber in jedem Fall gilt ein Kraftwerk mit einer Leistung von 50 MW oder mehr als Kleinwasserkraftwerk. ^{[ 33 ]} Beispielsweise liegt die Grenze für Kleinwasserkraftwerke in China unter 25 MW, in Indien unter 15 MW und in den meisten europäischen Ländern unter 10 MW. ^{[ 34 ]}

Die Kategorien SHP und LHP werden weiter in zahlreiche Unterkategorien unterteilt, die sich nicht gegenseitig ausschließen. ^{[ 33 ]} Beispielsweise kann ein Niederdruckkraftwerk mit einer Fallhöhe von wenigen Metern bis zu einigen Dutzend Metern sowohl als SHP als auch als LHP klassifiziert werden. ^{[ 35 ]} Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zwischen SHP und LHP ist der Grad der Wasserflussregulierung: Ein typisches SHP nutzt im Vergleich zu einem LHP primär den natürlichen Wasserabfluss mit sehr geringer Regulierung. Daher wird der Begriff SHP häufig synonym für Laufwasserkraftwerk verwendet . ^{[ 33 ]}

Die größten Stromerzeuger der Welt sind Wasserkraftwerke, wobei einige Wasserkraftwerke mehr als das Doppelte der installierten Kapazität der derzeit größten Kernkraftwerke erzeugen können .

Obwohl es keine offizielle Definition für den Leistungsbereich großer Wasserkraftwerke gibt, gelten Anlagen ab einigen hundert Megawatt im Allgemeinen als große Wasserkraftwerke. ^{[ 36 ]}

Derzeit sind weltweit nur sieben Anlagen mit einer Leistung von über 10 GW ( 10.000 MW ) in Betrieb, siehe Tabelle unten. ^{[ 37 ]}

Rang	Station	Land	Standort	Kapazität ( MW )
1.	Drei-Schluchten-Damm	China	30°49′15″N 111°00′08″E / 30,82083°N 111,00222°E / 30.82083; 111.00222 ( Drei-Schluchten-Damm )	22.500
2.	Baihetan-Staudamm	China	27°13′23″N 102°54′11″E / 27,22306°N 102,90306°E / 27.22306; 102.90306 ( Drei-Schluchten-Damm )	16.000
3.	Itaipu-Staudamm	Brasilien Paraguay	25°24′31″S 54°35′21″W / 25,40861°S 54,58917°W -25,40861 ; -54,58917 ( Itaipu-Staudamm )	14.000
4.	Xiluodu-Staudamm	China	28°15′35″N 103°38′58″E / 28,25972°N 103,64944°E / 28.25972; 103.64944 ( Xiluodu-Staudamm )	13.860
5.	Belo Monte-Staudamm	Brasilien	03°06′57″S 51°47′45″W / 3,11583°S 51,79583°W -3,11583 ; -51,79583 ( Belo Monte-Staudamm )	11.233
6.	Guri-Staudamm	Venezuela	07°45′59″N 62°59′57″W / 7,76639°N 62,99917°W / 7,76639; -62,99917 ( Guri-Staudamm )	10.235
7.	Wudongde-Staudamm	China	26°20′2″N 102°37′48″E / 26,33389°N 102,63000°E / 26.33389; 102.63000 ( Drei-Schluchten-Damm )	10.200

Panoramaansicht des Itaipu-Staudamms mit den (zum Zeitpunkt der Aufnahme geschlossenen) Überläufen auf der linken Seite. 1994 wählte die American Society of Civil Engineers den Itaipu-Staudamm zu einem der Sieben Weltwunder der Moderne . ^{[ 38 ]}

Kleinwasserkraft bezeichnet Wasserkraftprojekte, die zur Versorgung einer kleinen Gemeinde oder eines Industriebetriebs dienen. Die Definition eines Kleinwasserkraftprojekts variiert, jedoch gilt eine Erzeugungskapazität von bis zu 10 Megawatt (MW) allgemein als Obergrenze. In Kanada und den Vereinigten Staaten kann diese Grenze auf 25 MW bzw. 30 MW angehoben werden . ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Kleinwasserkraftwerke können als Quelle kostengünstiger, erneuerbarer Energie an konventionelle Stromverteilungsnetze angeschlossen werden. Alternativ können Kleinwasserkraftprojekte in abgelegenen Gebieten errichtet werden, deren Versorgung durch ein Stromnetz unwirtschaftlich wäre, oder in Gebieten ohne nationales Stromverteilungsnetz. Da Kleinwasserkraftprojekte in der Regel nur wenige Stauseen und geringe bauliche Maßnahmen erfordern, gelten sie im Vergleich zu Großwasserkraftwerken als relativ umweltschonend. Diese geringere Umweltbelastung hängt maßgeblich vom Verhältnis zwischen Wasserdurchfluss und Stromerzeugung ab. ^{[ 41 ]}

Mikro-Wasserkraft bezeichnet Wasserkraftwerke , die typischerweise bis zu 100 kW Leistung erzeugen. Diese Anlagen können ein abgelegenes Haus oder eine kleine Gemeinde mit Strom versorgen oder sind mitunter an Stromnetze angeschlossen. Weltweit gibt es viele solcher Anlagen, insbesondere in Entwicklungsländern, da sie eine wirtschaftliche Energiequelle ohne Brennstoffkauf darstellen. ^{[ 42 ]} Mikro-Wasserkraftsysteme ergänzen Photovoltaik- Solaranlagen, da in vielen Gebieten der Wasserdurchfluss und damit die verfügbare Wasserkraft im Winter am höchsten ist, wenn die Sonneneinstrahlung am geringsten ist.

Pico-Wasserkraft bezeichnet die Stromerzeugung aus Wasserkraft mit einer Leistung von unter 5 kW . Sie eignet sich für kleine, abgelegene Gemeinden mit geringem Strombedarf. Beispielsweise versorgt das Pico-Wasserkraftprojekt der Intermediate Technology Development Group in Kenia mit 1,1 kW 57 Haushalte mit sehr geringem Stromverbrauch (z. B. einige Lampen und ein Handy-Ladegerät oder ein kleines Fernseh-/Radiogerät). ^{[ 43 ]} Selbst kleinere Turbinen mit 200–300 W können in Entwicklungsländern mit einem Fallhöhenunterschied von nur 1 m einige wenige Haushalte mit Strom versorgen. Pico-Wasserkraftanlagen sind typischerweise Laufwasserkraftwerke . Das bedeutet, dass keine Staudämme verwendet werden, sondern Rohre einen Teil des Wassers umleiten, es über ein Gefälle durch die Turbine leiten und es anschließend wieder in den Fluss zurückführen.

Ein unterirdisches Kraftwerk wird üblicherweise bei großen Anlagen eingesetzt und nutzt einen großen natürlichen Höhenunterschied zwischen zwei Wasserläufen, beispielsweise einem Wasserfall oder einem Bergsee. Ein Tunnel leitet das Wasser vom höher gelegenen Reservoir zur Kraftwerkshalle, die in einer Kaverne nahe dem tiefsten Punkt des Tunnels errichtet wird. Ein horizontaler Abflusskanal führt das Wasser zum tiefer gelegenen Auslasswasserlauf.

Eine einfache Formel zur Annäherung an die elektrische Energieerzeugung in einem Wasserkraftwerk lautet:

${\displaystyle P=-\eta \ ({\dot {m}}g\ \Delta h)=-\eta \ ((\rho {\dot {V}})\ g\ \Delta h)}$

Wo

• ${\displaystyle P}$ist Leistung (in Watt )
• ${\displaystyle \eta }$( eta ) ist der Effizienzkoeffizient (ein dimensionsloser, skalarer Koeffizient, der von 0 für völlig ineffizient bis 1 für völlig effizient reicht).
• ${\displaystyle \rho }$( rho ) ist die Dichte von Wasser (~1000  kg / m ³ )
• ${\displaystyle {\dot {V}}}$ist der Volumenstrom (in m³ ^/ s)
• ${\displaystyle {\dot {m}}}$ist der Massenstrom (in kg/s)
• ${\displaystyle \Delta h}$( Delta h) ist die Höhenänderung (in Metern ).
• ${\displaystyle g}$ist die Erdbeschleunigung (9,8 m/s² ⁾ .

Bei größeren und moderneren Turbinen ist der Wirkungsgrad oft höher (d. h. näher an 1). Die jährliche Stromerzeugung hängt von der verfügbaren Wassermenge ab. In manchen Anlagen kann die Wasserdurchflussrate im Laufe eines Jahres um den Faktor 10:1 schwanken. ^{[ 44 ]}

Wasserkraft ist eine flexible Stromquelle, da Kraftwerke ihre Leistung sehr schnell an den schwankenden Energiebedarf anpassen können. ^{[ 37 ]} Wasserturbinen benötigen nur wenige Minuten zum Anlaufen. ^{[ 45 ]} Obwohl Batterien schneller laden, ist ihre Kapazität im Vergleich zu Wasserkraft gering. ^{[ 2 ]} Die meisten Wasserkraftwerke benötigen weniger als 10 Minuten, um vom Kaltstart auf Volllast zu kommen; das ist schneller als bei Kernkraft und fast allen fossilen Brennstoffen. ^{[ 46 ]} Die Stromerzeugung kann bei Überschuss ebenfalls schnell reduziert werden. ^{[ 47 ]} Daher wird die begrenzte Kapazität von Wasserkraftwerken im Allgemeinen nicht zur Grundlastversorgung genutzt, außer zur Entleerung von Hochwasserrückhaltebecken oder zur Deckung des Bedarfs flussabwärts. ^{[ 48 ]} Stattdessen kann sie als Reserve für andere Kraftwerke dienen. ^{[ 47 ]}

Der größte Vorteil konventioneller Wasserkraftwerke mit Stauseen liegt in ihrer Fähigkeit, Wasser kostengünstig zu speichern und später als hochwertigen, sauberen Strom abzurufen. Die IEA schätzte 2021, dass die Stauseen aller bestehenden konventionellen Wasserkraftwerke zusammengenommen 1.500 Terawattstunden (TWh) elektrische Energie in einem vollständigen Zyklus speichern können. Dies entspricht etwa dem 170-Fachen der Energiemenge aller Pumpspeicherkraftwerke weltweit. ^{[ 2 ]} Es wird nicht erwartet, dass die Speicherkapazität von Batterien die von Pumpspeicherkraftwerken in den 2020er Jahren übertreffen wird. ^{[ 2 ]} Wird Wasserkraft zur Deckung von Spitzenlasten eingesetzt , ist sie wertvoller als Grundlaststrom und deutlich wertvoller als intermittierende Energiequellen wie Wind- und Solarenergie.

Wasserkraftwerke haben eine lange wirtschaftliche Lebensdauer; einige Anlagen sind noch nach 50–100 Jahren in Betrieb. ^{[ 49 ]} Die Betriebskosten sind in der Regel ebenfalls niedrig, da die Anlagen automatisiert sind und im Normalbetrieb nur wenig Personal vor Ort benötigt wird.

Wenn ein Staudamm mehreren Zwecken dient, kann mit relativ geringen Baukosten ein Wasserkraftwerk errichtet werden, das eine nützliche Einnahmequelle zur Deckung der Betriebskosten des Staudamms darstellt. Berechnungen zufolge werden die Baukosten des Drei-Schluchten-Staudamms nach 5 bis 8 Jahren Volllastbetrieb durch den Stromverkauf gedeckt sein. ^{[ 50 ]} Allerdings zeigen einige Daten, dass große Wasserkraftwerke in den meisten Ländern zu teuer und zu zeitaufwendig zu bauen sind, um eine positive risikobereinigte Rendite zu erzielen, sofern keine geeigneten Risikomanagementmaßnahmen getroffen werden. ^{[ 51 ]}

Während viele Wasserkraftprojekte öffentliche Stromnetze speisen, werden einige speziell für die Versorgung bestimmter Industrieunternehmen errichtet. So werden beispielsweise oft eigens dafür gebaute Wasserkraftwerke errichtet, um die erheblichen Strommengen bereitzustellen, die für Aluminium -Elektrolyseanlagen benötigt werden. Der Grand-Coulee-Staudamm versorgte im Zweiten Weltkrieg zunächst das Alcoa- Aluminiumwerk in Bellingham, Washington , mit Strom für amerikanische Flugzeuge, bevor er nach dem Krieg (zusätzlich zur Aluminiumproduktion) auch zur Bewässerung und Stromversorgung der Bevölkerung genutzt werden durfte. In Suriname wurde der Brokopondo-Stausee gebaut, um die Alcoa -Aluminiumindustrie mit Strom zu versorgen . Das Kraftwerk Manapouri in Neuseeland wurde errichtet , um die Aluminiumhütte in Tiwai Point mit Strom zu versorgen .

Da Wasserkraftwerke keinen Brennstoff verbrauchen, entsteht bei der Stromerzeugung kein Kohlendioxid . Zwar wird anfänglich während der Bauphase Kohlendioxid freigesetzt und jährlich Methan aus den Stauseen abgegeben, doch weist die Wasserkraft eine der niedrigsten Treibhausgasemissionen über ihren gesamten Lebenszyklus bei der Stromerzeugung auf. ^{[ 52 ]} Die geringe Treibhausgasbelastung der Wasserkraft zeigt sich insbesondere in gemäßigten Klimazonen . In den Tropen sind die Treibhausgasemissionen höher, da die Stauseen der Kraftwerke dort größere Mengen Methan produzieren als jene in gemäßigten Gebieten. ^{[ 53 ]}

Wie andere nicht-fossile Energiequellen emittiert auch die Wasserkraft keine Schwefeldioxid-, Stickoxid- oder andere Feinstaubpartikel.

Durch Wasserkraftprojekte entstandene Stauseen bieten oft Möglichkeiten für Wassersport und entwickeln sich selbst zu Touristenattraktionen. In einigen Ländern ist Aquakultur in Stauseen weit verbreitet. Mehrzweckdämme, die zur Bewässerung errichtet werden, sichern die Landwirtschaft mit einer relativ konstanten Wasserversorgung. Große Wasserkraftwerke können Überschwemmungen eindämmen, die andernfalls die flussabwärts lebenden Menschen betreffen würden. ^{[ 54 ]} Die Bewirtschaftung von Dämmen, die auch für andere Zwecke wie die Bewässerung genutzt werden , ist komplex. ^{[ 2 ]}

Im Jahr 2021 forderte die IEA „strenge Nachhaltigkeitsstandards für alle Wasserkraftprojekte mit vereinfachten Regeln und Vorschriften“. ^{[ 2 ]}

Große Stauseen in der Nähe traditioneller Wasserkraftwerke führen zur Überflutung ausgedehnter Gebiete oberhalb der Dämme und zerstören mitunter artenreiche und produktive Wälder in Tiefland- und Flusstälern, Sumpfgebiete und Grasland. Der Bau von Staudämmen unterbricht den Flusslauf und kann lokale Ökosysteme schädigen. Zudem erfordert er häufig die Umsiedlung von Menschen und Wildtieren. ^{[ 37 ]} Der Landverlust wird oft durch die Fragmentierung von Lebensräumen in der Umgebung aufgrund des Stausees noch verschärft. ^{[ 55 ]}

Wasserkraftprojekte können sowohl ober- als auch unterhalb des Kraftwerksstandorts erhebliche Störungen in den umliegenden aquatischen Ökosystemen verursachen. Die Stromerzeugung aus Wasserkraft verändert die Flussumgebung flussabwärts. Das aus einer Turbine austretende Wasser enthält in der Regel nur sehr wenig Schwebstoffe, was zu Ausspülungen des Flussbetts und Ufererosion führen kann. ^{[ 56 ]} Die Turbinen töten zudem einen Großteil der vorbeiziehenden Fauna; beispielsweise sterben 70 % der Aale, die eine Turbine passieren, unmittelbar danach. ^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]} Da die Turbinentore oft nur zeitweise geöffnet werden, kommt es zu schnellen oder sogar täglichen Schwankungen des Flussabflusses. ^{[ 60 ]}

Dürre und saisonale Schwankungen der Niederschlagsmenge können die Wasserkraftnutzung stark einschränken. ^{[ 2 ]} Wasser kann auch durch Verdunstung verloren gehen. ^{[ 61 ]}

Fließendes Wasser transportiert Partikel, die schwerer sind als es selbst, flussabwärts. Dies beeinträchtigt Staudämme und in der Folge auch die dazugehörigen Kraftwerke, insbesondere solche an Flüssen oder in Einzugsgebieten mit hoher Sedimentablagerung. Durch die Sedimentablagerungen kann sich ein Stausee füllen und seine Hochwasserschutzfunktion verringern. Zudem erhöht sich der horizontale Druck auf den stromaufwärts gelegenen Teil des Damms. Schließlich können manche Stauseen mit Sedimenten volllaufen und unbrauchbar werden oder bei Hochwasser überlaufen und brechen. ^{[ 62 ] [ 63 ]}

Veränderungen der Flusswassermenge korrelieren mit der Energieerzeugung eines Staudamms. Geringere Flusswassermengen verringern das Speichervolumen eines Stausees und damit die für die Wasserkraftnutzung verfügbare Wassermenge. Die Folge geringerer Flusswassermengen können Stromausfälle in Gebieten sein, die stark von Wasserkraft abhängig sind. Das Risiko von Wassermangel kann sich durch den Klimawandel erhöhen . ^{[ 64 ]} Eine Studie am Colorado River in den USA legt nahe, dass moderate Klimaänderungen, wie beispielsweise ein Temperaturanstieg von 2 Grad Celsius, der mit einem Rückgang der Niederschläge um 10 % einhergeht, den Flussabfluss um bis zu 40 % reduzieren könnten. ^{[ 64 ]} Brasilien ist aufgrund seiner starken Abhängigkeit von Wasserkraft besonders gefährdet, da steigende Temperaturen, geringere Wassermengen und Veränderungen des Niederschlagsregimes die gesamte Energieproduktion bis zum Ende des Jahrhunderts jährlich um 7 % verringern könnten. ^{[ 64 ]}

In den Tropen sind die positiven Auswirkungen geringer. In Tieflandregenwaldgebieten , wo die Überflutung eines Teils des Waldes notwendig ist, wurde festgestellt, dass die Stauseen von Kraftwerken erhebliche Mengen an Methan produzieren . ^{[ 65 ]} Dies ist darauf zurückzuführen, dass Pflanzenmaterial in den überfluteten Gebieten unter anaeroben Bedingungen verrottet und dabei Methan, ein Treibhausgas, bildet . Laut dem Bericht der Weltkommission für Staudämme ^{[ 66 ]} können die Treibhausgasemissionen eines Stausees höher sein als die eines konventionellen ölbefeuerten Wärmekraftwerks, wenn der Stausee im Vergleich zur Erzeugungskapazität groß ist (weniger als 100 Watt pro Quadratmeter Oberfläche) und vor dem Aufstau des Stausees keine Rodung der Wälder in der Region durchgeführt wurde. ^{[ 67 ]}

In borealen Stauseen Kanadas und Nordeuropas betragen die Treibhausgasemissionen jedoch typischerweise nur 2 % bis 8 % der Emissionen konventioneller, fossiler Wärmekraftwerke. Eine neue Art der Unterwasserholzernte, die auf überflutete Wälder abzielt, kann die Auswirkungen des Waldsterbens mindern. ^{[ 68 ]}

Ein weiterer Nachteil von Wasserkraftwerken ist die Notwendigkeit, die Bevölkerung in den geplanten Stauseegebieten umzusiedeln. Im Jahr 2000 schätzte die Weltkommission für Staudämme, dass weltweit 40 bis 80 Millionen Menschen durch Staudämme vertrieben wurden. ^{[ 69 ]}

Da große konventionelle Stauanlagen große Wassermengen zurückhalten, kann ein Versagen aufgrund mangelhafter Konstruktion, Naturkatastrophen oder Sabotage für flussabwärts gelegene Siedlungen und Infrastruktur katastrophale Folgen haben.

Während des Taifuns Nina im Jahr 1975 brach der Banqiao-Staudamm in Südchina, nachdem innerhalb von 24 Stunden mehr als die Jahresniederschlagsmenge gefallen war (siehe Dammbruch von Banqiao 1975 ). Die daraus resultierende Flut forderte 26.000 Todesopfer, weitere 145.000 starben an Epidemien. Millionen wurden obdachlos. ^{[ 70 ]}

Der Bau eines Staudamms an einem geologisch ungeeigneten Ort kann zu Katastrophen wie der Vajont-Staudammkatastrophe von 1963 in Italien führen, bei der fast 2000 Menschen ums Leben kamen. ^{[ 71 ]}

Der Dammbruch von Malpasset in Fréjus an der französischen Riviera (Côte d'Azur) in Südfrankreich ereignete sich am 2. Dezember 1959 und forderte 423 Todesopfer durch die darauffolgende Flut. ^{[ 72 ]}

Kleinere Staudämme und Mikro-Wasserkraftwerke bergen zwar ein geringeres Risiko, können aber auch nach ihrer Stilllegung weiterhin Gefahren darstellen. So brach beispielsweise der kleine Erddamm Kelly Barnes im Jahr 1977, zwanzig Jahre nach der Stilllegung seines Kraftwerks, und forderte 39 Todesopfer. ^{[ 73 ]}

Wasserkraft eliminiert die Rauchgasemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe , darunter Schadstoffe wie Schwefeldioxid , Stickoxide , Kohlenmonoxid , Staub und Quecksilber aus der Kohle . Zudem vermeidet sie die Gefahren des Kohlebergbaus und die indirekten gesundheitlichen Folgen von Kohleemissionen. Die IEA erklärte 2021, dass die Energiepolitik der Regierungen „den Wert der vielfältigen öffentlichen Vorteile von Wasserkraftwerken berücksichtigen“ sollte. ^{[ 2 ]}

Kernenergie ist relativ unflexibel, obwohl ihre Leistung recht schnell reduziert werden kann. Da die Kosten der Kernenergie maßgeblich von den hohen Infrastrukturkosten bestimmt werden, steigen die Kosten pro Energieeinheit bei geringer Produktion deutlich an. Daher wird Kernenergie hauptsächlich zur Grundlastdeckung eingesetzt . Wasserkraft hingegen kann Spitzenlasten zu deutlich geringeren Kosten decken. Sie wird daher häufig zur Ergänzung von Kernenergie oder anderen Energiequellen zur Lastfolge genutzt . Beispiele für Länder, in denen beide Energiequellen nahezu gleich häufig eingesetzt werden, sind das Stromnetz der Schweiz , der schwedische Stromsektor und in geringerem Maße die Ukraine und der finnische Stromsektor . ^{[ 74 ]}

Die Windkraft unterliegt zwar vorhersehbaren saisonalen Schwankungen , ist aber tageszeitlich nicht konstant . Die maximale Windstromerzeugung steht in keinem direkten Zusammenhang mit dem täglichen Spitzenverbrauch an Strom. Der Wind kann nachts am stärksten wehen, wenn kein Strom benötigt wird, oder tagsüber, wenn der Strombedarf am höchsten ist, ganz ausbleiben. Gelegentlich kann es aufgrund von Wetterlagen tagelang oder wochenlang zu Windstille kommen. Ein Wasserkraftwerk, das die für mehrere Wochen benötigte Energie speichern kann, ist in solchen Fällen hilfreich, um die Stromerzeugung im Netz auszugleichen. Maximale Windstromerzeugung kann durch minimale Wasserkraft und umgekehrt ausgeglichen werden. So wird die gut regulierbare Wasserkraft genutzt, um die Schwankungen der Windkraft zu kompensieren. Umgekehrt kann Windkraft in manchen Fällen dazu beitragen, Wasser für die spätere Nutzung in Trockenzeiten zu sparen.

Ein Beispiel hierfür ist Norwegens Handel mit Schweden, Dänemark, den Niederlanden, Deutschland und Großbritannien. ^{[ 75 ] [ 76 ]} Norwegen deckt 98 % seines Energiebedarfs mit Wasserkraft, während seine flachen Nachbarländer Windkraft nutzen. In Gebieten ohne Wasserkraft erfüllen Pumpspeicherkraftwerke eine ähnliche Funktion, allerdings zu deutlich höheren Kosten und mit 20 % geringerem Wirkungsgrad. ^{[ 77 ]}

Im Jahr 2022 erzeugte Wasserkraft 4.289 TWh, was 15 % des gesamten Strombedarfs und der Hälfte des Bedarfs an erneuerbaren Energien entsprach. Von der weltweiten Gesamtmenge produzierte China (30 %) den größten Anteil, gefolgt von Brasilien (10 %), Kanada (9,2 %), den Vereinigten Staaten (5,8 %) und Russland (4,6 %). ^{[ 79 ]}

Paraguay erzeugt fast seinen gesamten Strom aus Wasserkraft und exportiert weit mehr, als es verbraucht. ^{[ 80 ]} Größere Kraftwerke werden in der Regel von nationalen Regierungen gebaut und betrieben, sodass der größte Teil der Kapazität (70 %) in öffentlicher Hand ist, obwohl die meisten Kraftwerke (fast 70 %) im Jahr 2021 im Besitz des privaten Sektors waren und von diesem betrieben wurden. ^{[ 2 ]}

Die folgende Tabelle listet diese Daten für jedes Land auf:

• Gesamtstromerzeugung aus Wasserkraft in Terawattstunden ,
• Prozentsatz der Stromerzeugung dieses Landes, der aus Wasserkraft stammte
• Gesamtwasserkraftkapazität in Gigawatt ,
• prozentuales Wachstum der Wasserkraftkapazität und
• der Wasserkraftkapazitätsfaktor für dieses Jahr.

Die Daten stammen von Ember und reichen bis zum Jahr 2023, sofern nicht anders angegeben. ^{[ 78 ]} Berücksichtigt werden nur Länder mit einer Stromerzeugung von mehr als 1 TWh. Links zu den einzelnen Standorten führen, sofern verfügbar, zur jeweiligen Wasserkraftseite.

Land	Erzeuger (TWh)	% gen.	Cap. (GW)	% kapitalwachstum	Cap. fac.
Welt	4183,41	14.2	1267,90	0,6	38 %
China	1226,00	13.0	370,60	0,8	38 %
Brasilien	428,65	60,4	109,90	0,1	50%
Kanada	364,20	57,5	83,31	0,0	50%
Vereinigte Staaten	233,96	5,5	86,66	0,0	31 %
Russland	200,87	17.1	50,57	-1,6	45 %
Indien	149,17	7.6	47,33	0,2	36 %
Norwegen	135,96	88,5	34,40	0,4	45 %
Vietnam	80,90	29.3	22,64	0,5	41 %
Japan	74,50	7.4	28.22	0,1	30 %
Schweden	66,07	39,7	16.40	0,0	46 %
Venezuela (2022)	65,68	77,6	16,81	0,0	45 %
Truthahn	63,72	19.9	31,78	0,7	23 %
Kolumbien	54,24	62,5	13.21	5.3	47%
Frankreich	53,19	10.4	24.14	-0,4	25 %
Paraguay (2022)	43,87	99,7	8,81	0,0	57%
Österreich	39,79	59,4	14,71	-1,4	31 %
Schweiz	39,00	54,8	15.28	1.4	29 %
Italien	37,94	14,5	18,85	-0,4	23 %
Pakistan	37,90	23,5	10,64	0,0	41 %
Laos (2022)	33,40	72,7	9,65	7,7	40 %
Malaysia	31,51	16.8	6.21	0,0	58%
Peru	31,51	52,6	5,50	0,0	65%
Argentinien	29,90	20.4	10.39	0,0	33 %
Ecuador	26,61	76,4	5.19	0,0	59%
Neuseeland	26.04	58,5	5,68	0,0	52 %
Indonesien	24,59	7.0	6,78	1.3	41 %
Chile	23,90	28.6	7,47	2,5	37 %
Iran	22,65	5.9	11,68	1.6	22 %
Mexiko	20.40	5.8	13.30	0,0	18%
Spanien	20.01	7.4	16,81	0,0	14%
Deutschland	19.47	3.9	5,74	2.1	39 %
Tadschikistan (2022)	18,66	89,4	5,76	0,3	37 %
Rumänien	18.30	32,5	6,57	0,0	32 %
Sambia (2022)	17.09	87,8	3.17	17.0	62 %
Mosambik (2022)	15.49	81,4	2.19	0,0	81 %
Australien	15.26	5.6	8.44	9,5	21 %
Finnland	15.11	18.9	3.18	0,3	54 %
Äthiopien (2022)	14,75	95,7	4,82	18.4	35 %
Island (2022)	13,94	70,2	2.11	0,0	75%
Ägypten	13,82	6.3	2,83	0,0	56 %
Nordkorea (2022)	12,82	57,5	4,89	0,6	30 %
Angola (2022)	12,64	74,6	3,73	0,0	39 %
Serbien	12.19	32,0	2,49	0,0	56 %
Kirgisistan (2022)	11,90	85,9	2,78	0,0	49%
Ukraine (2022)	11.10	9,9	4,82	0,0	26 %
DR Kongo (2022)	11.00	99,6	2,93	12.3	43 %
Sudan (2022)	11.00	61,6	1,48	0,0	85%
Portugal	10,98	24,5	8.19	0,0	15%
Georgia	10,85	75,5	3,45	2.1	36 %
Nepal (2022)	9,67	98,5	2.20	11.7	50%
Myanmar	9,37	51,6	3.27	0,0	33 %
Panama (2022)	9.24	69,2	1,84	1.7	57%
Philippinen	9.08	7,7	3.09	1.6	34 %
Bhutan (2022)	9,00	100,0	2,33	0,0	44 %
Kasachstan	8,79	7,8	2,90	3.2	35 %
Costa Rica	8.45	70,5	2,37	1.7	41 %
Nigeria	8.28	20.4	2,85	32,6	33 %
Kroatien	7,87	46,5	2.21	0,0	41 %
Ghana (2022)	7,50	33.3	1,58	0,0	54 %
Albanien (2022)	6,96	99,4	2,49	-0,8	32 %
Thailand	6,59	3,5	3.11	0,0	24 %
Bosnien und Herzegowina	6,37	37,4	1,84	0,0	40 %
Simbabwe (2022)	5,88	65,9	1,08	0,0	62 %
Vereinigtes Königreich	5.19	1.8	2.19	0,0	27 %
Sri Lanka (2022)	5.11	29.4	1,83	1.7	32 %
Guatemala (2022)	5.08	38,6	1,57	0,0	37 %
Kamerun (2022)	5,00	61,6	0,81	0,0	70 %
Usbekistan (2022)	4,97	6.7	2.23	8.8	25 %
Slowenien	4,96	32,6	1.16	-0,9	49%
Uganda (2022)	4,81	89,2	1.03	2.0	53 %
Slowakei	4,63	15.6	1,62	0,0	33 %
Kambodscha (2022)	4,00	45,4	1,68	26.3	27 %
Honduras (2022)	4,00	33.3	0,91	7.1	50%
Taiwan	3,96	1.4	2.10	0,0	22 %
Griechenland	3,87	7,8	3,43	0,3	13%
Lettland	3,80	60,8	1,57	-1,3	28 %
Südkorea	3,72	0,6	1,80	-0,6	24 %
Uruguay	3,62	27.4	1,54	0,0	27 %
Elfenbeinküste (2022)	3,35	30.1	0,88	0,0	43 %
Bulgarien	3.11	7,8	2,53	0,0	14%
Tansania (2022)	2,82	31.3	0,60	1.7	54 %
Kenia	2,70	22.1	0,86	0,0	36 %
Irak (2022)	2,65	2.3	1,56	0,0	19%
Polen	2,38	1.4	0,98	0,0	28 %
Tschechische Republik	2.34	3.1	1.12	0,9	24 %
Bolivien	2.31	19.0	0,74	0,0	36 %
Montenegro	2.13	52.1	0,70	0,0	35 %
Armenien (2022)	2,00	22,8	1,35	0,0	17%
Guinea (2022)	2,00	65,8	0,81	37,3	28 %
Südafrika	1,69	0,7	0,75	0,0	26 %
Nordmazedonien	1,65	23,5	0,70	0,0	27 %
El Salvador	1,62	21,8	0,57	0,0	32 %
Aserbaidschan (2022)	1,60	5,5	1.16	0,0	16%
Mali (2022)	1,40	37,3	0,46	43,8	35 %
Malawi (2022)	1,05	77,8	0,39	0,0	31 %
Dominikanische Republik (2022)	1,00	4.6	0,62	0,0	18%

Die Entwicklung von Wasserkraftprojekten ist typischerweise mit hohen Einrichtungskosten verbunden, da ein hoher Arbeitsaufwand sowie hohe Investitionen in Anlagen und Maschinen erforderlich sind. Auch die Analyse der Auswirkungen der Wasserkrafterzeugung und der Ausgleich etwaiger negativer Folgen tragen zu den Gesamtkosten bei.

Obwohl die Gesamtinvestitionen für neue Wasserkraftprojekte typischerweise zwischen 1.200 USD/kW und 4.500 USD/kW liegen, kann die Spanne bei großen Wasserkraftwerken deutlich größer sein und laut IEA-Bericht 2021 ^{[ 81 ]} zur Wasserkrafterzeugung zwischen 1.000/kW und 10.000/kW liegen.

Aufgrund ihrer hohen Bevölkerungsdichte und der Verfügbarkeit günstiger Arbeitskräfte weisen Länder im asiatisch-pazifischen Raum, wie Indien und China, die niedrigsten Investitionskosten für Wasserkraft auf. Im Gegensatz dazu sind die Investitionskosten in europäischen und nordamerikanischen Ländern aufgrund der hohen Arbeitskosten am höchsten. In Afrika liegt das Hauptproblem in der veralteten Technologie und Infrastruktur, die für die Wasserkraftnutzung ungeeignet sind. ^{[ 82 ]}

Die Kapitalkosten machen üblicherweise 80–90 % der Stromgestehungskosten (LCOE) von Wasserkraftanlagen aus. Betrieb und Instandhaltung (O&M) machen den Rest aus, der im Durchschnitt etwa 2 % der anfänglichen Investitionskosten beträgt. Die Projektentwicklungskosten und die erwartete Kapitalrendite, ausgedrückt als gewichtete durchschnittliche Kapitalkosten, sind ein wichtiger Faktor. ^{[ 2 ]}

• Kuriqi, Alban; Jurasz, Jakub (2022). „Zusammenhang zwischen der Zunahme kleiner Wasserkraftwerke und dem Schutz fluvialer Ökosysteme“ . Komplementarität variabler erneuerbarer Energiequellen . Elsevier. doi : 10.1016/b978-0-323-85527-3.00027-3 . ISBN 978-0-323-85527-3Die

• Koalition zur Reform der Wasserkraft
• Interaktive Demonstration zu den Auswirkungen von Staudämmen auf Flüsse
• Europäischer Verband für Kleinwasserkraft
• IEC TC 4: Hydraulische Turbinen (Internationale Elektrotechnische Kommission – Technisches Komitee 4) IEC TC 4-Portal mit Zugriff auf Geltungsbereich, Dokumente und TC 4-Website. Archiviert am 27.04.2015 im Internet Archive.