Wasserkraft

Wasserkraft wandelt die potenzielle Energie fallenden Wassers in Strom um. Sie ist die älteste erneuerbare Stromquelle und noch immer die größte. 2025 erzeugte sie rund 4.400 TWh, etwa 14 % des Weltstroms und damit mehr als Kernkraft, Wind oder Sonne allein. Laut International Hydropower Association liegt die weltweit installierte Leistung einschließlich Pumpspeicher bei rund 1.400 GW. Wasserkraft bietet außerdem etwas, das Wind und Sonne allein nicht leisten können: Speicherung im großen Maßstab über lange Zeiträume und regelbare Erzeugung, die der Nachfrage innerhalb von Minuten folgt. Diese Flexibilität macht sie zum Rückgrat der Stromnetze in Norwegen, Brasilien und Kanada und anderswo zu einem immer wertvolleren Partner für wetterabhängige Erneuerbare.

So funktioniert Wasserkraft

Wasser in der Höhe hat potenzielle Energie. Fließt es durch ein Rohr, die Druckrohrleitung, nach unten, baut sich am Fuß Druck auf. Danach strömt das Wasser durch eine Turbine, deren Laufrad Druck und Geschwindigkeit in Drehbewegung umsetzt. Ein Synchrongenerator auf der Turbinenwelle erzeugt Wechselstrom mit Netzfrequenz, und ein Transformator hebt die Spannung für die Übertragung an.

Die Leistung hängt nur von zwei Größen am Standort ab: dem Durchfluss und der Fallhöhe, also dem Höhenunterschied, den das Wasser überwindet.

Die Leistung wächst linear mit Durchfluss und Fallhöhe. Ein Gebirgsstandort mit einem kleinen Bach und 600 m Gefälle kann deshalb so viel leisten wie ein Flachlandfluss mit großem Durchfluss und 6 m Gefälle, auch wenn beide völlig unterschiedliche Turbinen brauchen. Der Kleinwasserkraft-Rechner wendet diese Formel auf einen kleinen Bach an.

Turbinentypen

• Francisturbinen sind Überdruckturbinen: Das Wasser strömt radial durch verstellbare Leitschaufeln ein und axial aus. Sie decken den größten Bereich ab, von etwa 10 m bis 700 m Fallhöhe, und treiben die meisten großen Staudämme an, darunter die 700-MW-Maschinen am Drei-Schluchten-Damm und in Itaipú. Der Spitzenwirkungsgrad liegt über 94 %.
• Kaplanturbinen sind propellerartige Überdruckturbinen mit verstellbaren Schaufeln, gebaut für geringe Fallhöhen (etwa 2–40 m) und große Durchflüsse. Man findet sie in Laufwasserkraftwerken an großen Flüssen. Rohrturbinen, eine Kaplan-Variante mit gekapseltem Generator im Wasserweg, bewältigen sehr geringe Fallhöhen, auch in Gezeitenkraftwerken.
• Peltonturbinen sind Freistrahlturbinen. Schnelle Strahlen aus Düsen treffen auf löffelförmige Becher eines Laufrads. Sie eignen sich für große Fallhöhen von etwa 200 m bis über 1.800 m bei mäßigem Durchfluss, wie in den Alpen und in Norwegen.
• Durchström- und Turgoturbinen besetzen Nischen in der Kleinwasserkraft, wo niedrige Kosten und Robustheit mehr zählen als der Spitzenwirkungsgrad.

Bauarten und Varianten

Speicherkraftwerke

Ein Damm sperrt einen Fluss ab und bildet einen Stausee, der Wasser für Tage, Jahreszeiten oder sogar Jahre speichert. Die Betreiber geben es ab, wenn der Strom am meisten wert ist, das Kraftwerk funktioniert also wie eine riesige Batterie, die Regen und Schneeschmelze aufladen. Stauseen dienen auch der Bewässerung, dem Hochwasserschutz und der Trinkwasserversorgung, und diese Nutzungen können mit der Stromerzeugung in Konflikt geraten. Die größten Kraftwerke sind allesamt Speicherkraftwerke: der Drei-Schluchten-Damm in China (22,5 GW, typischerweise rund 100 TWh im Jahr), Baihetan (16 GW), Itaipú an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay (14 GW, Jahresrekorde über 100 TWh), Xiluodu (13,9 GW), Belo Monte in Brasilien (11,2 GW) und Guri in Venezuela (rund 10 GW).

Laufwasserkraftwerke

Laufwasserkraftwerke leiten einen Teil des natürlichen Abflusses über einen Kanal oder Stollen zu den Turbinen oder stehen hinter einem niedrigen Wehr mit wenig Speicher (meist höchstens ein paar Stunden Schwellbetrieb). Ihre Leistung folgt dem Fluss und erreicht ihren Höhepunkt mit der Schneeschmelze im Frühjahr oder in der Regenzeit. Überflutung und Umsiedlung sind hier ein viel kleineres Thema, Fischdurchgängigkeit und ökologische Mindestabflüsse müssen aber trotzdem gelöst werden. Viele große Flusskraftwerke an Donau, Rhein und Columbia laufen überwiegend als Laufwasserkraftwerke.

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke bewegen Wasser zwischen einem Ober- und einem Unterbecken. Sie pumpen es nach oben, wenn Strom billig oder reichlich ist, und erzeugen Strom, wenn er knapp wird. Moderne reversible Pumpturbinen erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 70–85 %. Weltweit sind rund 180–190 GW Pumpspeicher installiert (IHA, 2024), die nach Energie noch immer über 90 % des gespeicherten Stroms der Welt halten; China baut mit Abstand am meisten neue Kapazität. Das größte Kraftwerk, Fengning in Hebei, erreichte 3,6 GW. Geschlossene Systeme abseits von Flüssen („Closed Loop“) meiden Flüsse ganz, und die Australian National University hat weltweit Hunderttausende mögliche Standorte dafür identifiziert. Ein Projekt dimensionierst du mit dem Pumpspeicher-Rechner, den Vergleich mit Batterien findest du unter Batteriespeicher.

Klein-, Mini- und Kleinstwasserkraft

Die Definitionen schwanken. Kleinwasserkraft meint meist unter 10 MW (manche Länder setzen 30 oder 50 MW an), Mini unter 1 MW und Kleinst unter 100 kW. Kleinstwasserkraftwerke versorgen abgelegene Dörfer in Nepal, Peru und Ostafrika und sind oft der billigste netzferne Strom, wo ein stetiger Bach ein nutzbares Gefälle hat.

Wirkungsgrad und Kapazitätsfaktor

Keine andere Erzeugungstechnik wandelt Energie so effizient um. Gut gewartete Großkraftwerke erreichen vom Wasser bis zur Leitung 90–95 %, Wärmekraftwerke 35–60 % und Solarmodule rund 20–23 %. Beim Kapazitätsfaktor sieht es anders aus: Er hängt davon ab, wie viel Wasser da ist, und von der Entscheidung, für die Spitzenlast statt für gleichmäßige Erzeugung zu fahren.

Laut der Kostendatenbank von IRENA lag der weltweit gewichtete Kapazitätsfaktor neuer Wasserkraftwerke in den letzten Jahren bei rund 45–55 %, mit großer Streuung. Norwegische und Schweizer Spitzenlastkraftwerke laufen bewusst weniger Stunden, äquatoriale Flüsse mit gleichmäßigem Abfluss mehr. Die Erzeugung schwankt außerdem mit den Niederschlägen von Jahr zu Jahr. Dürren ließen die Wasserkrafterzeugung 2022 in Europa, 2022–2023 in Sichuan und Yunnan in China und 2021 in Brasilien stark einbrechen, ein wachsendes Klimarisiko für Systeme, die auf Wasserkraft setzen.

Kosten

Wasserkraft ist kapitalintensiv, und jeder Standort ist anders, doch einmal gebaut liefert sie jahrzehntelang billigen Strom. IRENAs Renewable Power Generation Costs in 2023 (2024) nennt für 2023 in Betrieb gegangene Wasserkraftwerke weltweit gewichtete Stromgestehungskosten von etwa 0,057 USD/kWh. Die Investitionskosten lagen im Mittel bei rund 2.800 USD/kW und damit höher als zu Beginn des Jahrzehnts, weil die Standorte abgelegener und schwieriger wurden. Einzelne Projekte reichen von unter 0,03 USD/kWh bei Großkraftwerken in China, Brasilien und Afrika bis weit über 0,15 USD/kWh an schwierigen kleinen oder abgelegenen Standorten. Lazards LCOE+ behandelt neue Wasserkraft nicht im Detail. Die ATB von NREL zählt neue US-Wasserkraft an unverbauten Flussabschnitten zu den teureren Erneuerbaren, weil die besten US-Standorte schon vor Jahrzehnten gestaut wurden. Bestehende Dämme zu modernisieren oder Dämme ohne Stromerzeugung mit Turbinen nachzurüsten ist oft weit billiger.

Zwei Dinge verzerren einfache LCOE-Vergleiche. Erstens halten die Bauwerke ein Jahrhundert. Kraftwerke, die über 30–40 Jahre abgeschrieben sind, erzeugen weiter zu sehr niedrigen Grenzkosten; ein großer Teil der Flotte in Europa und Nordamerika stammt aus der Zeit vor 1980. Zweitens sind Kostenüberschreitungen häufig. Eine Studie von Ansar et al. (2014) über 245 große Staudämme fand real im Mittel etwa 96 % Mehrkosten und 44 % Verzug. Pumpspeicher misst man besser mit LCOS, und sie konkurrieren meist ab acht Stunden Speicherdauer mit Batterien.

Fläche, Wasser und Rohstoffe

Große Stauseen überfluten viel Land. Der Flächenbedarf pro Energieeinheit unterscheidet sich um Größenordnungen: deutlich unter 1 m² pro MWh und Jahr bei Alpenkraftwerken mit großer Fallhöhe, Dutzende Quadratmeter bei flachen Stauseen im Tiefland wie Balbina in Brasilien, das für 250 MW rund 2.400 km² überflutete. Der Drei-Schluchten-Damm setzte etwa 630 km² unter Wasser und erzwang die Umsiedlung von rund 1,3 Millionen Menschen. Die World Commission on Dams (2000) schätzte, dass weltweit 40–80 Millionen Menschen durch Staudämme vertrieben wurden, viele ohne angemessene Entschädigung.

Wasserkraft verbraucht kein Wasser wie die Kühlung von Wärmekraftwerken, Stauseen verlieren aber Wasser durch Verdunstung, und in heißem, trockenem Klima können das große Mengen pro MWh sein. Dämme zerstückeln Flüsse, halten Sedimente zurück, die sonst Deltas und Ackerland flussabwärts aufbauen würden, und verändern Wassertemperatur und Sauerstoffgehalt. Das Material ist überwiegend Beton, Steinschüttung und Stahl. Verteilt auf eine sehr lange Betriebszeit ergibt das einen sehr geringen Materialeinsatz pro MWh über die Lebensdauer.

CO2-Emissionen über den Lebenszyklus

Keine erneuerbare Energie hat eine größere Emissionsspanne. IPCC AR5 WGIII Anhang III (2014) nennt einen Median von etwa 24 g CO2e/kWh bei einer Spanne von rund 1 bis 2.200 g CO2e/kWh. Alpine und nordische Kraftwerke mit großer Fallhöhe liegen am unteren Ende. Die extremen Spitzenwerte stammen von einigen flachen tropischen Stauseen, in denen überflutete Biomasse und organische Zuflüsse ohne Sauerstoff verrotten. Sie setzen Methan an der Seeoberfläche, in Turbinen und Überläufen („Ausgasung“) und weiter flussabwärts frei. Die UNECE-Bewertung von 2021 nennt für repräsentative Kraftwerke rund 6 bis 150 g CO2e/kWh und lässt die extremsten Stauseen außen vor.

Methan, dessen Treibhauspotenzial über 20 Jahre rund 80-mal so hoch ist wie das von CO2, treibt die hohen Werte. Die Emissionen eines Stausees erreichen im ersten Jahrzehnt nach der Flutung ihren Höhepunkt und hängen von Klima, Tiefe, Fläche pro MW und organischer Belastung ab. Mit dem G-res-Tool von IHA und UNESCO werden die Nettoemissionen eines Stausees inzwischen häufig schon vor dem Bau abgeschätzt. Die meisten Wasserkraftwerke in gemäßigten und borealen Zonen und Laufwasserkraftwerke generell haben ähnliche Lebenszyklusemissionen wie Wind- und Kernkraft.

Sicherheit und Umweltwirkungen

Dammsicherheit. Gemittelt pro TWh fordert Wasserkraft wenige Todesopfer, das Risiko hat aber einen schweren Ausläufer. 1975 brachten die extremen Regenfälle des Taifuns Nina die Dämme von Banqiao und Shimantan in der Provinz Henan zum Bersten, worauf Dutzende Dämme flussabwärts versagten. Die Schätzungen der Todesopfer reichen von etwa 26.000 bis über 170.000, wenn man Hungersnot und Seuchen einrechnet. Weitere schwere Unglücke ereigneten sich in Vajont, Italien (1963, rund 2.000 Tote, als ein Bergsturz eine Welle über die Staumauer schickte), und in Machchu-II, Indien (1979). Moderner Talsperrenbau, auf Extremhochwasser ausgelegte Hochwasserentlastungen, Überwachung und Notfallpläne haben katastrophales Versagen selten gemacht. Alternde Dämme und heftigere Niederschläge durch den Klimawandel bereiten aber zunehmend Sorgen.

Ökologie. Dämme versperren Wanderfischen wie Lachs, Stör und Aal den Weg. Fischtreppen, Umgehungsgerinne und fischfreundliche Turbinen mindern den Schaden, beseitigen ihn aber selten. Veränderte Abflüsse wirken sich auf Feuchtgebiete und Auen aus, und Schwall-Sunk-Betrieb (plötzliche Abflussänderungen, um der Nachfrage zu folgen) schadet dem Leben im Fluss unterhalb. Rückbauten von Dämmen in Europa und den USA, etwa am Elwha River in Washington, zeigen, wie schnell sich Fischbestände erholen können.

Soziale Folgen. Vertreibung, verlorenes Ackerland und Kulturstätten sowie Streit um grenzüberschreitende Flüsse (der Nil mit dem Grand Ethiopian Renaissance Dam, der Mekong, der Indus) machen große Wasserkraft politisch umstritten. Der Hydropower Sustainability Standard der IHA legt Kriterien für Beteiligung, Entschädigung und ökologische Mindestabflüsse fest.

Stromsysteme mit Wasserkraft als Hauptquelle

Mehrere Länder beziehen den Großteil ihres Stroms aus Wasserkraft. Norwegen erzeugt knapp 90 % aus Wasserkraft und gleicht mit seinen riesigen Speicherseen über Grenzkuppelstellen den nordischen und den kontinentaleuropäischen Markt aus. Brasilien erzeugte historisch rund 60 % seines Stroms aus Wasserkraft, aus Itaipú, Belo Monte und dem Tucuruí-Komplex. Kanada kommt auf rund 60 %, angeführt von Quebec, British Columbia und Manitoba, und exportiert große Mengen in die USA. Paraguay, Äthiopien, Nepal und die Demokratische Republik Kongo liegen über 90 %. Einzelne Kraftwerke findest du auf der Kraftwerkskarte.

Ausblick

Der Hydropower Special Market Report der IEA (2021) nannte Wasserkraft den „vergessenen Riesen“ des sauberen Stroms und erwartete, dass das Wachstum außerhalb Chinas nachlässt, weil die besten Standorte vergeben sind und der soziale und ökologische Widerstand wächst. Der Großteil der neuen konventionellen Kapazität entsteht in China, Indien, Afrika und Südostasien. Pumpspeicher wachsen schneller, getrieben vom Bedarf, Wind und Sonne auszugleichen; allein China hat weit über 100 GW im Bau oder genehmigt. Große Zuwächse mit wenig neuen Eingriffen bringen die Modernisierung und Leistungssteigerung alternder Flotten in Europa und Nordamerika, Generatoren an bestehenden Dämmen, schwimmende Solaranlagen auf Stauseen und der gemeinsame Betrieb von Wasser- und Solarkraft. Der Klimawandel wirkt in beide Richtungen: In manchen Einzugsgebieten hoher Breiten steigen die Abflüsse, im Mittelmeerraum, im südlichen Afrika und in Teilen Südamerikas sinken sie. Der Technologievergleich stellt Wasserkraft anderen Quellen gegenüber, und Meeresenergie behandelt ihre Verwandte auf dem Ozean.