Von Einfach erklärt: Wie funktioniert Wasserkraft?
In Wasser steckt viel Energie. Diese Energie wird deutlich, indem man sich die riesigen Wellen anschaut, die in die Bucht einbrechen oder wenn kleine Flüsse sich in reißende Ströme verwandeln und ganze Gegenden zerstören.
Um diese Energiegewinnung des Wassers – Wasserkraft – nutzbar zu machen, wird die kinetische und die potenzielle Energie einer Wasserströmung mithilfe eines Turbinenrades in mechanische Energie umgewandelt. Diese wird wiederum zum Antrieb von Generatoren eingesetzt.
Es findet einer Energieumwandlung durch das Wasserkraftwerk statt, die die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
- Kinetische Energie = Bewegungsenergie: Strömung des Wassers
- Potenzielle Energie = Lageenergie: Höhendifferenzen eines Stausees
Wasserkraft und ihre Wasserkraftwerke
Ein Wasserkraftwerk, auch als Wasserkraftanlage oder Wasserwerk bezeichnet, ist ein Kraftwerk, das die Wasserkraft in Strom umwandelt. Das Wasserkraftwerk dient also als Stromerzeugungsanlage, in der die mechanische Energie der Wasserkraft mithilfe von Generatoren in elektrische Energie umwandelt wird, welche anschließend in das Stromnetz einspeist wird.
Aufgrund der unendlichen Natur des Wassers zählt die Wasserkraft als eine der vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen. In sogenannten Wasserkraftwerken, auch Wasserkraftanlagen genannt, werden weltweit rund 14 % des Stroms produziert – und damit rund 47 % des Stroms aus erneuerbaren Quellen (IEA, Stand 2024).
Wirkungsgrad Wasserkraftwerk
Der Wirkungsgrad von Wasserkraftwerken liegt im Vergleich zu anderen Kraftwerken relativ hoch. Je nach Art des Wasserkraftwerks kommt es zu einem Wirkungsgrad von 75 bis zu 90 Prozent.Durch den Betrieb von Wasserkraftwerken werden fossile Energieträger geschont und damit schädliche Treibhausgas-Emissionen verringert. Je nachdem, um was es sich für eine Art Wasserkraftwerk handelt, kann es jedoch zu negativen Auswirkungen für die Umwelt kommen.
Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk?
Trotz der unterschiedlichen Arten von Wasserwerken produzieren alle Anlagen auf mehr oder weniger gleiche Art und Weise Strom. Folgende Erklärung macht die Funktionsweise und den Wasserkraftwerk Aufbau deutlich:
- 1 Da kleine Flüsse mit wenig Wasser nur geringe Wasserkraft enthalten, werden Laufwasserkraftwerke an Flüssen mit einer hohen Fließgeschwindigkeit und einem großen Wasserdurchlauf gebaut.
- 2 Zusätzlich werden an Laufkraftwerken Staudämme gesetzt, die den Abfluss eines Flusses absperren, wodurch sich das Wasser anstaut. Staudämme führen außerdem dazu bei, dass ein Höhenunterschied entsteht, sodass Wasser vor dem Kraftwerk als Oberwasser und hinter dem Kraftwerk als Unterwasser bezeichnet wird.
- 3 Sobald die Staudämme geöffnet werden, fließt das Wasser durch die Rohrleitungen und treibt die Turbinen an. Es sei anzumerken, dass mit höherem Gefälle die Energie des Wassers größer ist.
- 4 Die Turbinen leiten die aufgenommene mechanische Energie an die Generatoren ab - an die sie angeschlossen sind. Die Generatoren wiederum gewinnen aus dieser Energie die elektrische Energie.
- 5 Laufwasserkraftwerke erzeugen elektrische Energie rund um die Uhr und können eine Effizienz von bis zu 90% erreichen.
Welche Arten von Wasserkraftwerken gibt es?
Wasserkraftwerke unterscheiden sich vor allem durch ihre Bauweise und Betriebsart: Manche nutzen den ständigen Durchfluss eines Flusses, andere stauen Wasser in Höhenlagen für die Spitzenlaststunden, und Pumpspeicher arbeiten wie eine riesige Batterie. Die vier wichtigsten Typen im Überblick:
| Typ | Funktionsweise | Einsatzgebiet |
|---|---|---|
| Laufwasserkraftwerk | Nutzt den natürlichen Durchfluss eines Flusses mit geringer Fallhöhe; produziert kontinuierlich rund um die Uhr. | Grundlast; an Rhein, Donau, Iller, Inn. |
| Speicherkraftwerk | Wasser wird in einem Stausee gesammelt und bei Bedarf über Rohrleitungen zu tiefer liegenden Turbinen geleitet; hohe Fallhöhe. | Mittel- und Spitzenlast; vor allem in den bayerischen Alpen und im Schwarzwald. |
| Pumpspeicherkraftwerk (PSW) | Pumpt Wasser bei Stromüberschuss in ein Oberbecken und turbiniert es zur Stromproduktion bei hoher Nachfrage zurück; speichert also Energie. | Spitzenlast und Netzregelung; einziger großtechnisch erprobter Stromspeicher. |
| Gezeitenkraftwerk | Wandelt die Höhendifferenz zwischen Ebbe und Flut über bidirektionale Turbinen in Strom um. | In Deutschland nicht im Einsatz; weltweit selten (z. B. La Rance, Frankreich). |
Welche Bauarten von Staudämmen gibt es?
Die Talsperre bzw. der Staudamm ist das Herzstück eines Speicher- oder Pumpspeicherkraftwerks. Welche Bauart gewählt wird, hängt von der geologischen Beschaffenheit des Untergrunds, der Topographie und der gewünschten Stauhöhe ab:
- Gewichtsstaumauer: hält den Wasserdruck allein durch ihr Eigengewicht zurück (z. B. Möhnetalsperre);
- Bogenstaumauer: leitet den Wasserdruck als Bogen seitlich in die Felswände ab; spart Material in engen Tälern;
- Pfeilerstaumauer: kombiniert eine flache Mauer mit stützenden Pfeilern auf der Luftseite;
- Schüttdamm: aus Erd- oder Steinmaterial aufgeschüttet; günstigste Bauweise auf weicherem Untergrund.
Pumpspeicherkraftwerke: die Batterie der Energiewende
Pumpspeicherkraftwerke (PSW) sind eine spezielle Form der Wasserkraft: Sie erzeugen Strom nicht nur, sondern speichern ihn auch — und das in einer Größenordnung, die bislang keine andere ausgereifte Technologie erreicht. In Deutschland sind PSW heute der mit Abstand wichtigste Stromspeicher und damit ein zentraler Baustein der Energiewende.
Funktionsweise in zwei Phasen
Ein Pumpspeicherkraftwerk verfügt über zwei Wasserbecken auf unterschiedlicher Höhe — typischerweise mit 200 bis 700 Metern Höhenunterschied. Der Betrieb wechselt im Tagesverlauf zwischen zwei Modi:
- 1 Pumpbetrieb (Stromspeicherung): In Zeiten von Stromüberschuss — etwa nachts oder bei starker Wind- und Solareinspeisung — bezieht das Werk günstigen Strom aus dem Netz und pumpt damit Wasser vom Unter- ins Oberbecken. Aus elektrischer Energie wird so potenzielle Lageenergie.
- 2 Turbinenbetrieb (Stromerzeugung): Steigt die Stromnachfrage (z. B. Mittags- oder Abendspitze), öffnet sich das Oberbecken. Das herabstürzende Wasser treibt die Turbinen an und erzeugt innerhalb von Minuten Strom — perfekt für Lastspitzen und Netzregelung.
Der Gesamtwirkungsgrad eines modernen Pumpspeichers liegt bei 75 bis 82 %: Pro 100 kWh aufgenommener Strom werden also bis zu 82 kWh wieder ins Netz zurückgespeist. Der Vorgang ist vollständig reversibel und kann sich jeden Tag mehrfach wiederholen.
Offene und geschlossene Pumpspeicher
Pumpspeicherwerke werden technisch in zwei Kategorien unterteilt:
- Offene PSW: Unter- oder Oberbecken ist an einen Fluss oder See angeschlossen; das Werk profitiert von natürlichem Zufluss, ist aber abhängig vom Wasserstand;
- Geschlossene PSW: Zwei isolierte Becken ohne natürlichen Zu- oder Abfluss; das Wasser wird ausschließlich zwischen beiden Reservoirs hin- und hergepumpt.
Warum sind PSW für die Energiewende so wichtig?
Mit dem Ausbau von Wind- und Solarstrom wächst die Schwankung im deutschen Stromnetz: An sonnigen, windigen Tagen entsteht Überschuss, in der Dunkelflaute fehlt Strom. Pumpspeicher gleichen diese Schwankungen aus — als einzige großtechnisch erprobte Speichertechnologie, die seit Jahrzehnten zuverlässig funktioniert. Batteriespeicher holen zwar auf, decken bisher aber nur einen Bruchteil der nötigen Kapazität ab.
Die Herausforderung: Geeignete Standorte erfordern ausreichend Höhenunterschied zwischen zwei Becken. In Deutschland sind die meisten realistischen Standorte bereits bebaut. Der Ausbau erfolgt deshalb zunehmend über Modernisierung bestehender Anlagen sowie Auslandsprojekte in der Schweiz, Österreich und Norwegen, deren Strom über Hochspannungsleitungen nach Deutschland exportiert wird.
Wasserkraft in Deutschland: Zahlen und Fakten
In Deutschland sind rund 7.300 Wasserkraftanlagen in Betrieb — von kleinen Mühlenkraftwerken mit wenigen Kilowatt bis zu Großanlagen mit über 1.000 Megawatt. Die installierte Gesamtleistung liegt bei rund 5,5 GW für reine Wasserkraft (ohne PSW) und zusätzlich rund 7 GW Pumpspeicherleistung.
Regionale Verteilung
Wasserkraft ist in Deutschland stark regional konzentriert: Bayern erzeugt rund 60 % des deutschen Wasserkraftstroms — bedingt durch die alpinen Höhenunterschiede und die wasserreichen Flüsse Inn, Lech, Iller und Isar. Auf Platz zwei folgt Baden-Württemberg mit dem Schwarzwald und der Rheinschiene. Norddeutsche Bundesländer spielen wegen ihrer flachen Topographie kaum eine Rolle.
Die größten Wasserkraftwerke Deutschlands
| Kraftwerk | Typ | Bundesland | Leistung |
|---|---|---|---|
| Goldisthal | Pumpspeicher | Thüringen | 1.060 MW |
| Markersbach | Pumpspeicher | Sachsen | 1.050 MW |
| Schluchseewerk | Pumpspeicher-Verbund | Baden-Württemberg | ~1.836 MW |
| Wasserkraftwerk Iffezheim | Laufwasser | Baden-Württemberg (Rhein) | 148 MW |
| Walchenseekraftwerk | Speicher | Bayern | 124 MW |
Wasserkraft im internationalen Vergleich
Im weltweiten Ranking spielt Deutschland bei der Wasserkraft eine vergleichsweise kleine Rolle — die Topographie schränkt die nutzbaren Standorte ein. Globaler Spitzenreiter ist China mit dem Drei-Schluchten-Damm am Jangtsekiang, dem mit 22.500 MW größten Wasserkraftwerk der Welt. Auf den weiteren Plätzen folgen Brasilien (Itaipu), Kanada, die USA und Russland. Norwegen deckt rund 88 % seines Strombedarfs aus Wasserkraft — der höchste Anteil weltweit.
Was sind die Wasserkraft Vor- und Nachteile?
Wasserkraft gehört nebst der Photovoltaik, Windkraft, Erdwärme und Biomasse zu den Erneuerbaren Energien. An der deutschen Bruttostromerzeugung hatte die Wasserkraft 2024 einen Anteil von rund 4,7 % (20,4 TWh) – ein Plus von 10,3 % gegenüber 2023, begünstigt durch ein ungewöhnlich nasses Jahr.
Wasserkraftwerk Vor- und Nachteile
Wasserkraftwerk Vorteile
- Nutzung erneuerbarer Energiequelle
- Schonung fossiler Energieträger tut Umwelt Gutes
- Unabhängigkeit von Wetter und Zeit
- Vielseitigkeit: Stromproduktion, Hochwasserschutz, Trinkwasserspeicherung
- Strom aus Wasserpumpspeichern kann gespeichert werden
- Ausgereifte, zuverlässige Technologie mit langer Nutzungsdauer
Wasserkraftwerk Nachteile
- Negativer Einfluss auf das ökologische Gleichgewicht von Flüssen
- Reduzierte Fließgeschwindigkeit vermindert Sauerstoffkonzentration
- Großflächige Zerstörung bei Dammbrüchen möglich
- Eingriff in Lebensräume von Fischen und Wasserpflanzen und Störung des Grundwasserhaushaltes
- Flächenverbrauch und mögliche Umsiedlung von Bewohnern notwendig
Häufig gestellte Fragen zu Wasserkraft
Ein Wasserkraftwerk nutzt die potenzielle oder kinetische Energie von fließendem oder gestautem Wasser. Das Wasser treibt eine Turbine an, die wiederum einen Generator dreht — so wird mechanische in elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad liegt mit 75 bis 90 % deutlich über dem fossiler Kraftwerke.
Im Jahr 2024 hatte die Wasserkraft einen Anteil von rund 4,7 % an der deutschen Bruttostromerzeugung — das entspricht etwa 20,4 TWh. Die installierte Leistung liegt bei rund 5,5 GW reiner Wasserkraft plus etwa 7 GW Pumpspeicher.
Ein Pumpspeicherkraftwerk (PSW) verfügt über zwei Wasserbecken auf unterschiedlicher Höhe. Bei Stromüberschuss pumpt es Wasser ins Oberbecken (Speicherung), bei Strombedarf turbiniert es das Wasser zurück (Stromerzeugung). Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 75 bis 82 %. Pumpspeicher sind aktuell der einzige großtechnisch erprobte Stromspeicher und damit ein zentraler Baustein der Energiewende.
Der Schluchsee-Kraftwerksverbund im Schwarzwald hat mit rund 1.836 MW die höchste installierte Leistung — er besteht aus mehreren gekoppelten Pumpspeichern. Das größte einzelne Werk ist das Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal in Thüringen mit 1.060 MW. Das stärkste reine Laufwasserwerk ist Iffezheim am Rhein mit 148 MW.
Im Vergleich zu fossilen Kraftwerken ja — Wasserkraft ist CO₂-arm, hat lange Anlagenlebenszeiten und liefert bei guter Wasserlage zuverlässig Strom. Allerdings stören Staudämme den Wanderfischbestand, reduzieren die Fließgeschwindigkeit der Flüsse und greifen in lokale Ökosysteme ein. Moderne Anlagen verfügen daher zunehmend über Fischtreppen und ökologische Mindestabflüsse, um diese Auswirkungen abzumildern.
Theoretisch ja — vorausgesetzt, Sie verfügen über ein Grundstück mit Wasserkraftrechten an einem Bach oder Fluss mit ausreichend Fallhöhe und Durchfluss. In der Praxis ist das selten möglich: Die Wasserrechte sind in Deutschland streng reglementiert, und die meisten geeigneten Standorte sind bereits vergeben oder geschützt. Ein Kleinwasserkraftwerk mit etwa 70 kW Leistung kostet rund 600.000 €.