Wasserkraft: Erneuerbar und klimafreundlich

Die Auenwälder, lauschigen Uferabschnitte und Kiesinseln am und im alten Aarelauf bei den Kraftwerken Wildegg-Brugg (Axpo), Rupperswil-Auenstein (Partnerwerk Axpo und SBB) und Kraftwerk Rüchlig (Axpo) sind ein viel besuchtes Erholungsgebiet für Wanderer, Sportler, Fischer und Ruhesuchende. Jedoch birgt diese Restwasserstrecke im alten Aarelauf zwischen Brugg und Aarau auch Gefahren, insbesondere bei sogenanntem Schwallwasser. Dies ist der Fall, wenn die Turbinen eines nahen Kraftwerks aus technischen Gründen unvermittelt abgestellt werden müssen. Dann öffnen sich die Wehre zum alten Aarebett hin, weil das von der Aare zufliessende Wasser nicht gestaut werden kann, und innert kurzer Zeit strömt deutlich mehr als die gesetzlich vorgeschriebene Restwassermenge durch den alten Aarelauf. Zudem können unerwartete Hochwasser auch durch weit entfernte Wettereinflüsse auftreten.

Zur rechtzeitigen Warnung vor plötzlich steigendem Wasser sind bei den Kraftwerken Wildegg-Brugg und Rupperswil-Auenstein spezielle Warnsysteme mit starkem Blinklicht und Lautsprechern installiert. Bei Gefahr verbreiten die Anlagen in drei Intervallen einen weithin hörbaren Sirenenton von 20 Sekunden Dauer, gefolgt jeweils von der Warnung "Achtung Hochwasser – bitte Flussbett verlassen!". Beim Kraftwerk Rüchlig weisen Warntafeln auf die Gefahren hin.
Wie an allen Bach- und Flussläufen im Einzugsgebiet von Kraftwerken stehen bei den Kraftwerken entlang des alten Aarelaufes zahlreiche solcher Warntafeln. Diese weisen auf die Gefahr eines unvermittelten Anstiegs des Wasserabflusses im Flussbett auch bei schönem Wetter hin. Die als Picknickplätze beliebten Kiesinseln können dann plötzlich nicht mehr verlassen werden oder werden gar überschwemmt.

Mit einem Flugblatt weist Axpo zusätzlich auf das Gefahrenpotenzial und das Warnsystem hin. Die Flugblätter liegen bei den Gemeindeverwaltungen der Region auf und werden auch verschiedenen Vereinen und Institutionen zugestellt. 

Laufwasserkraftwerke nutzen die Strömung eines Flusses zur Stromerzeugung. Sie besitzen meist geringe Fallhöhen und kommen bei grossen Wassermengen zum Einsatz.

Das Wasser (Oberwasser) wird auf die Turbinen geleitet. Die durch die Strömung entstehende Bewegungsenergie treibt die Turbinen an, welche über Generatoren die Energie in Strom umwandeln. Der Strom wird in das Stromnetz eingespeist. Das zur Stromerzeugung benutzte Wasser wird wieder in den Fluss zurückgeführt (Unterwasser).

Laufwasserkraftwerke produzieren Bandenergie und können im Gegensatz zu Speicher- oder Pumpspeicherwerken die Strommenge nicht nach Bedarf anpassen. Die produzierte Strommenge ist abhängig von Wasserführung und Fliessgeschwindigkeit des Flusses.

Neben der Stromerzeugung dienen Laufwasserkraftwerke oft auch als Hochwasserschutz. Damit Fische und Schiffe den Fluss dennoch ungehindert passieren können, werden Fischtreppen und Schleusen errichtet.
Als Kleinwasserkraftwerke werden Wasserkraftwerke, in der Regel Laufwasserkraftwerke, mit einer Leistung unter 10-MW bezeichnet.

Video: Wie funktioniert ein Laufwasserkraftwerk? (Quelle: ARD)

Die parallel angeordneten Metallstäbe eines Rechens dienen dazu, Treibgut aufzufangen. Meist werden sie zum Schutz der dahinterliegenden Wasserkraftwerke installiert und können für den Fischabstieg bei idealer Anordnung auch zum Leiten von Fischen zu ungefährlichen Bypässen verwendet werden. 

Als Speicherkraftwerk wird ein Wasserkraftwerk bezeichnet, welches Wasser in einem Stausee speichert und bei Bedarf für die Stromproduktion nutzt. Das Maschinenhaus mit Turbinen und Generator befindet sich am Fuss der Staumauer. Das Speicherkraftwerk nutzt nun diesen Höhenunterschied zwischen dem hoch gelegenen Stausee und dem tiefer gelegenen Maschinenhaus.

Zur Stromerzeugung wird Wasser aus dem Stausee über Druckleitungen auf die Turbinen geleitet. Die dadurch entstehende Bewegungsenergie treibt die Turbinen an, welche über Generatoren die Energie in Strom umwandeln und diesen in das Stromnetz einspeisen. Das zur Stromerzeugung benutzte Wasser wird abgelassen (meist Fluss).

Speicherkraftwerke sind in der Regel nicht im Dauerbetrieb. Ihre Aufgabe ist vielmehr das witterungsbedingt unterschiedlich anfallende Wasser zu speichern. In Betrieb genommen werden Speicherkraftwerke zu Spitzenzeiten der Stromnutzung aufgrund von tageszeitabhängigen oder saisonalen Schwankungen. Damit sind Speicherkraftwerke wichtige Lieferanten von flexibler Spitzenenergie.  

Video: Wie funktioniert ein Speicherkraftwerk? (Quelle: ARD)

(1) Zur Stromerzeugung wird Wasser aus dem Stausee über Druckleitungen auf die Turbinen geleitet. Die dadurch entstehende Bewegungsenergie treibt die Turbinen an, welche über Generatoren die Energie in Strom umwandeln und diesen in das Stromnetz einspeisen. Nach dem Turbinieren gelangt das Wasser in das untere Speicherbecken.

(2) Im Gegensatz zu reinen Speicherkraftwerken können Pumpspeicherwerke nicht nur Spitzenenergie erzeugen, sondern auch Stromüberschüsse, die während sogenannten Schwachlastzeiten anfallen, in wertvolle Spitzenenergie umwandeln. Zu diesem Zweck pumpen sie Wasser aus dem unteren Speicherbecken in den höher gelegenen Stausee zurück und nutzen es zu einem späteren Zeitpunkt erneut zur Stromproduktion. In diesem Pumpbetrieb arbeitet der Generator als Motor. Er wird mit Strom aus dem Stromnetz versorgt.

Bei einer Pumpturbine werden die Funktionen der Turbine und jene der Pumpe durch dieselbe Maschine ausgeführt. Dabei ändert die Pumpturbine je nach Betriebsart ihre Drehrichtung.

Die Pumpspeicherung ist eine bewährte Methode, um Angebot und Nachfrage in einem Stromnetz auf umweltfreundliche und wirtschaftliche Art auszugleichen. Pumpspeicherwerke besitzen eine wichtige Rolle für die Versorgungssicherheit und die Stabilisierung der Stromnetze.  

Fliessgewässer müssen ihre natürliche Funktion auch erfüllen können, wenn Wasser entnommen wird. Mit der Restwasserbestimmung wird die Wassermenge festgelegt, die unterhalb von Wasserentnahmen in Fluss- und Bachbetten jederzeit mindestens vorhanden sein muss. 

Restwasserkarte des BAFU

Während der Stromproduktion von Wasserwerken steigt und sinkt der Wasserstand täglich. Wenn die Nachfrage und die Strompreise hoch sind oder wenn die Stabilisierung der Stromnetze eine höhere Produktion erfordert, wird Wasser abgelassen (Schwall). Bei geringer Stromnachfrage liefern die Speicherkraftwerke im Stromnetz nur wenig Strom und halten daher das Wasser zurück (Sunk). Das künstliche Hoch- und Niederwasser kann das Leben von Gewässerorganismen in Bächen und Flüssen gefährden.  

Ein Wasserschloss ist Teil des Triebwassersystems von Pump- und Speicherkraftwerken. Einfach gesagt handelt es sich im Prinzip um einen vertikalen Tank, der dazu dient den Druckstoss in der Rohrleitung der Wasserkraftanlagen beim Schliessen der Armaturen (Kugelschieber) abzufangen.

Bei Anlagen mit unterirdisch verlaufenden Triebwasserstollen, respektive Druckschächten, wie dies in der Schweiz üblich ist, wird auch das Wasserschloss unterirdisch und meist in Schachtform als eine nach oben offene Steigleitung im Stollensystem gebaut.

Und so funktioniert’s: In den Rohrleitungen befindet sich eine grosse Menge Wasser, welche mit hoher Bewegungsenergie eine Turbine antreibt. Wird die Rohrleitung über einen Schieber geschlossen, wird diese Wassermenge abrupt abgebremst. Am Schieber tritt kurzzeitig ein sehr hoher Druck auf, dahinter entsteht zugleich ein Unterdruck; beides kann die Anlagen beschädigen.

Das Wasserschloss dämpft diese Druckstösse, weil es das fliessende Wasser umleitet und so den Abbremsvorgang zeitlich verzögert und reduziert. Wird der Schieber geschlossen, weicht das Wasser in das Wasserschloss aus und pendelt darin auf und ab, bis es zur Ruhe kommt. Die hohe Bewegungsenergie wird dabei in potentielle Energie umgewandelt. 

Die Schweiz ist ein Land ohne Rohstoffe. Sagt man gemeinhin. Das stimmt allerdings nicht ganz, denn unser Land verfügt wie kaum ein anderes über den Rohstoff Wasser – deshalb wird es oft auch Wasserschloss Europas genannt.

Die Schweizer Alpen sind Quelle und kontinentale Wasserscheide: Der Rhein fliesst in die Nordsee, die Rhone ins westliche Mittelmeer, der Tessin (Po) in die Adria und der Inn (Donau) ins Schwarze Meer. Mehr als 1500 Seen, Flüsse und Gewässer sowie zahlreiche Gletscher können hier als Süsswasser-Speicher oder zur klimafreundlichen Erzeugung von erneuerbarer Energie genutzt werden, die gegen 60 Prozent der Schweizer Gesamtproduktion ausmachen.

Die meisten Standorte zur profitablen Nutzung von Wasserkraft sind in der Schweiz bereits erschlossen. Der Fokus beim vom Bund im Rahmen der Energiestrategie 2050 gewünschten Ausbau der Wasserkraft liegt deshalb auf der Erneuerung und Effizienzsteigerung von bestehenden Anlagen. 

In der Schweiz gibt es heute rund 650 Wasserkraftwerke mit einer Leistung von mindestens 300 Kilowatt und rund 1000 Kleinwasserkraftwerke. Die Wasserkraftproduktion in der Schweiz liegt pro Jahr durchschnittlich bei gegen 35'000 GWh (35 TWh). Mehr als 90 Prozent der Wasserkraftwerke liegen im Haupteinzugsgebiet des Rheins mit seinen Zuflüssen Aare, Limmat und Reuss sowie an der Rhone. Grösste Produzenten in der Schweiz sind die Kantone Wallis und Graubünden mit fast 50 Prozent Anteil an der Schweizer Wasserkraft.

Axpo verfügt gemeinsam mit Partner über rund 60 Wasserkraftanlagen in der Schweiz mit einer installierten Leistung von rund 4300 MW.

Energieproduzenten wie Axpo benötigen für den Bau und Betrieb von Wasserkraftwerken eine Konzession des Standortkantons und/oder der Gemeinde, von welcher das im jeweiligen Kraftwerk genutzte Wasser stammt. Diese Konzession erlaubt es den Energieunternehmen, das Wasser zu nutzen. In der Regel laufen diese Konzession zwischen 40 und maximal 80 Jahren. Diese Frist soll es den Betreibern ermöglichen, die getätigten Investitionen über eine lange Zeit zu amortisieren. Im Gegenzug erhalten die Kantone und Gemeinden von den Energieproduzenten Wasserzins, der sich derzeit bei jährlich rund 550 Millionen Franken bewegt.

Energieproduzenten wie Axpo zahlen in der Schweiz für die Nutzung von Wasser einen Zins an den jeweiligen Standortkanton bzw. die Standortgemeinde des Kraftwerks. Der Wasserzins in der Schweiz wurde in mehreren Schritten auf die heute geltenden 110 Franken pro Kilowatt Bruttoleistung erhöht. Aktuell erhalten die Kantone und Gemeinden damit rund 550 Mio Franken an Wasserzins pro Jahr. Der Wasserzins macht den grössten Anteil an fixen Abgaben aus, mit welcher Schweizer Stromproduzenten belastet werden. Diese sind im europäischen Vergleich laut einer Untersuchung des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes nirgend nur annähernd so hoch wie in der Schweiz.

Diese Benachteiligung der Schweizer Wasserkraftproduzenten haben unmittelbare Auswirkungen auf deren Investitionsbereitschaft und damit mittel- bis langfristig auf die Gewährleistung der Versorgungssicherheit in der Schweiz. Denn die Abgaben sind nicht nur hoch, sondern bilden einen fixen Kostenblock. Einem offenen Markt mit volatilen Preisen und somit schwankenden Erlösen, steht so ein hoher Fixkostenblock gegenüber. Sind die Marktpreise hoch, sind die fixen Abgaben tragbar. In den Jahren mit tiefen Erlösen, resultieren wie in den vergangenen Jahren aber Verluste. Dies führt zu Unsicherheiten in der strategischen Planung der Produzenten, weil ihnen weniger finanzielle Mittel zur Verfügung stehen, die sie in den Erhalt und Ausbau der Wasserkraft investieren könnten.