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Wasser-Energie - so berechnen Sie die Energie an der Staumauer

Mit Wasser lässt sich elektrische Energie, also Strom erzeugen, beispielsweise mithilfe einer Staumauer. Ein durchgerechnetes Beispiel sehen Sie in diesem Artikel.

Staumauern "erzeugen" potenzielle Energie - hier der Edersee.
Staumauern "erzeugen" potenzielle Energie - hier der Edersee. © siepmannH / Pixelio

Was Sie benötigen:

  • Grundwissen "physikalische Energieformen"
  • Papier und Bleistift
  • Taschenrechner

Die Lageenergie von Wasser - am Beispiel berechnet

  • Nicht nur die Energie strömenden Wassers wurde in früheren Jahrhunderten beispielsweise in Mühlen genutzt, sondern bereits auch die Lageenergie von Wasser, wenn dieses aus erhöhter Stellung auf ein Mühlrad floss (sogenannte oberschlächtige Mühle). 
  • In modernerer Form wird diese Lageenergie, der physikalische Begriff lautet übrigens "potenzielle Energie", durch Aufstauen von Flüssen mit Staumauern und anschließender Stromgewinnung ausgenutzt. 
  • Auch in sogenannten Pumpspeicherwerken, die zur kontinuierlichen Stromversorgung der Bevölkerung dienen, wird bei der anschließenden Stromerzeugung die potenzielle Energie des (zuvor hochgepumpten) Wassers genutzt.
  • Für die Berechnung der Lageenergie gilt die Formel E = m x g x h. Die benutzten Abkürzungen stehen für physikalische Größen und haben folgende Bedeutung: m ist die Masse des oben befindlichen Wassers in Kilogramm. Bei g handelt es sich um die Erdbeschleunigung, die Sie mit einem mittleren Wert von 9,81 m/s² ansetzen können (tatsächlich variiert g auf der Erdoberfläche etwas). Und mit h ist die Höhe, auf der sich das Wasser direkt am Abfluss befindet, gemeint. Diese Höhe wird in Metern in die Formel eingesetzt. 
  • Die Vollstauhöhe (ab der Strom erzeugt wird) beträgt für den Edersee beispielsweise 42 m.
  • In der Physik gibt es verschiedene Formen von Energie, wichtig sind vor allem die …

Wasser-Energie in elektrische Energie umsetzen

  • Am Ende der an einer Staumauer steil abfallenden Wasserrohre befinden sich Turbinen, die den elektrischen Strom nach dem Generatorprinzip erzeugen. 
  • Dabei wird die aus der Lageenergie gewonnene Bewegungsenergie des Wassers in eine Drehbewegung umgesetzt, also die Welle der Wasserturbine angetrieben. 
  • Der Wirkungsgrad derartiger Turbinen ist erstaunlich hoch, es werden 80 bis 90 % der Wasser-Energie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt.
  • Die in einem Wasserkraftwerk letztendlich erzeugbare elektrische Leistung hängt jedoch vom Durchfluss des Wassers durch die Rohre ab. Beim Edersee fließen beispielsweise bis zu 54 m³ pro Sekunde ab.
  • Aber welche Lageenergie hat dieses Wasser? Eine Wassermenge von 54 m³ entspricht 54.000 l, also 54.000 kg. Nach der Formel gilt E = m x g x h = 54.000 kg x 9,81 m/s² x 42 m = 22,25 Mio J (sprich "Joule", die Einheit der Energie).
  • Bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Turbine (und natürlich geht auch durch Reibung in den Rohren etwas Energie verloren) von 80 % werden also 18 MJ (Mega-Joule) in elektrische Energie umgewandelt.
  • Die elektrische Leistung (also Joule pro Sekunde = Watt) beträgt dann 18 MW (Mega-Watt). Die offizielle Angabe ist übrigens bis zu 20 MW; Sie liegen also mit der Abschätzung ganz gut.
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