Die Schattenseiten der Wasserkraft - wissenschaft.de | Bild der Wissenschaft
BDW PlusTechnik & Digitales
Die Schattenseiten der Wasserkraft
Der Mythos der Wasserkraft als saubere Energie ist ungebrochen. Denn anders als bei der Kohleverstromung werden bei der Stromerzeugung mittels Fließkraft des Wassers keine Klimagase freigesetzt. Im Vergleich zu anderen grünen Energiequellen gilt Wasserkraft zudem als die zuverlässigste. Denn anders als Windräder…
Sie haben noch 2 von 3 kostenlosen Artikeln übrig1/3
von HARTMUT NETZ
Der Mythos der Wasserkraft als saubere Energie ist ungebrochen. Denn anders als bei der Kohleverstromung werden bei der Stromerzeugung mittels Fließkraft des Wassers keine Klimagase freigesetzt. Im Vergleich zu anderen grünen Energiequellen gilt Wasserkraft zudem als die zuverlässigste. Denn anders als Windräder oder Solarpaneele liefern Wasserkraftwerke wetterunabhängig und rund um die Uhr konstant Strom und unterstützen so die Netzstabilität.
Was diese Betrachtung allerdings vernachlässigt, ist der ökologische Preis der Technologie: Wenn freifließende Flüsse zu bloßen Aneinanderreihungen von Staustufen degradiert werden, hat dies üble Folgen für die aquatische Tier und Pflanzenwelt. Zudem relativieren die hohen Methanemissionen aus Talsperren den Klimanutzen der Wasserkraft.
Wasserkraftwerke boomen weltweit
Im Jahre 2020 stammten rund 17 Prozent der globalen Stromproduktion aus aufgestauten Bächen, Flüssen und Strömen. Und weltweit nimmt die Zahl der Wasserkraftanlagen rasant zu. Denn bislang sei nur die Hälfte der wirtschaftlich nutzbaren Ressourcen erschlossen, heißt es in einem Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA). Allein in Europa, wo bereits mehr als 21.000 Anlagen in Betrieb sind, befinden sich weitere 8500 in Planung. Prognosen der IEA zufolge wird Strom aus Wasserkraft bis 2030 um 17 Prozent zulegen.
In Deutschland trägt Wasserkraft derzeit allerdings nur knapp vier Prozent zum Strom-Mix bei. Das mit einer Leistung von knapp 150 Megawatt größte Laufwasserkraftwerk Deutschlands liegt am Rhein und ist Teil der Staustufe Iffezheim in Baden-Württemberg. Das mit über 130 Megawatt zweitgrößte ist das Kraftwerk Jochenstein an der Donau in Niederbayern. In Bayern und Baden-Württemberg stehen die meisten der bundesweit insgesamt 7300 Anlagen. Der Grund hierfür ist, dass die Flüsse beider Bundesländer, von denen viele in den Alpen entspringen, ein die Stromgewinnung begünstigendes Gefälle haben. Insbesondere Bayern ist Wasserkraft-Land. Die über 4200 Anlagen erzeugen im langjährigen Mittel 12,5 Milliarden Kilowattstunden Strom.
Energie aus Wasserkraft ist zwar erneuerbar, aber nicht emissionsfrei.
Aufgrund der ökologischen Probleme ist Wasserkraft nicht nachhaltig.
Bei Kleinanlagen ist das Verhältnis der Energieausbeute zum Grad der Umweltschäden besonders schlecht.
Die Spreizung zwischen den Kraftwerken ist allerdings gewaltig. Mehr als zwei Drittel des gesamten Wasserstroms stammen von nur 67 Großanlagen mit Leistungen von 10.000 Kilowatt und höher. Mehr als 90 Prozent aller Kraftwerke sind dagegen Klein- und Kleinstanlagen bis 500 Kilowatt. Zusammen liefern sie nur rund sieben Prozent des Wasserstroms.
Mehr aus Technik & Digitales
Weitere aktuelle Artikel aus der Rubrik Technik & Digitales.
Aufgrund der riesigen erzielbaren Strommengen in Großkraftwerken, lassen sich Argumente für deren Einsatz finden. Bei Kleinkraftwerken dagegen steht einer geringen Stromausbeute eine starke Umweltzerstörung gegenüber.
Die vielen kleinen Wasserkraftwerke sind mitverantwortlich für den hohen Verbauungsgrad bayerischer Flüsse. Wie eine Analyse der Umweltstiftung WWF ergab, wird der Lauf der Fließgewässer im Freistaat von insgesamt 57.000 Querbauwerken wie Wehren, Abstürzen und Staumauern fragmentiert – rein statistisch hemmt alle 500 Meter eine Barriere den freien Fluss des Wassers.
Dagegen machen Naturschutzverbände Front, darunter BUND Naturschutz, Landesbund für Vogelschutz und Landesfischereiverband (LFV). Nach deren Ansicht sind die Barrieren hauptverantwortlich für den dramatischen Artenschwund in den Gewässern. „Querbauwerke beeinträchtigen das gesamte Ökosystem der Fließgewässer“, sagt LFV- Gewässerbiologe Johannes Schnell. Vor allem die Turbinen der Wasserkraftwerke sind dem Biologen zufolge gefährlich: „Die Todesrate von Fischen liegt bei bis zu 30 Prozent pro Kraftwerk“, berichtet er. Das summiere sich, denn an einem längeren Fluss liege meist eine ganze Serie von Kraftwerken.
Bei Großkraftwerken können Fischwanderhilfen Abhilfe schaffen, die wie ein Bach oder kleiner Fluss angelegt sind, also mit entsprechender Breite und Strömung. Bei den Kleinkraftwerken ist so etwas jedoch nicht möglich.
Fische wandern große Strecken
Durch die Kraftwerke besonders gefährdet sind die Fischarten mit ausgeprägtem Wandertrieb wie Lachs, Stör oder Aal, die im Laufe ihres Lebenszyklus zwischen Fluss und Meer pendeln. Europäische Aale beispielsweise, die in der Sargassosee im tiefsten Atlantik geboren werden, treiben als fingerlange, fast durchsichtige Glasaale an die Nordseeküste, wo sie sich auf die Flussmündungen verteilen, flussauf wandern, dabei ihre olivgrüne Farbe annehmen und in Flüssen und Seen siedeln. Später begeben sie sich erneut auf eine anderthalb Jahre dauernde Wanderung, diesmal flussab zurück ins Meer, um in der Sargassosee zu laichen und zu sterben. Aber auch Fischarten, die lediglich innerhalb der Flusssysteme wandern, dabei jedoch mehrere Hundert Kilometer zurücklegen, sind auf freifließende Flüsse angewiesen.
An der Technischen Universität München (TUM) wurde ein Kraftwerkstyp entwickelt, bei dem Turbine und Generator unterhalb der Wasseroberfläche in Schächten im Staubauwerk selbst angeordnet sind. Dadurch wird der Flusslauf nicht unterbrochen. Ohne senkrecht stehende Rechen sollen Fische die Anlage leicht flussabwärts passieren können, flussaufwärts gelangen sie über eine Fischtreppe. Das weltweit erste Schachtwasserkraftwerk ist 2020 im bayerischen Fluss Loisach in Betrieb gegangen. Die Vorteile für den Flusslauf haben sich inzwischen bestätigt, Geröll kann die Anlage passieren. In Bezug auf die Fische haben sich die Hoffnungen jedoch nicht erfüllt, viele Fischarten werden auch in diesen Anlagen geschädigt. Gut scheinen sie beispielsweise für Bachforellen.
Sie ziehen nicht nur stromauf zum Laichen, sondern auch stromab zurück in ihr Habitat. Dazu gehören beispielsweise Barbe und Rapfen. Auch die Nase, ein 25 bis 40 Zentimeter langer Karpfenfisch, der früher die Donau und ihre Nebenflüsse in riesigen Schwärmen bevölkerte, ist äußerst selten geworden. Auf der Roten Liste bedrohter Tierarten wird die Nase als „stark gefährdet“ geführt. Und nicht nur sie: Von den 75 in Bayern heimischen Fischarten gelten 33 als gefährdet, stark gefährdet oder vom Aussterben bedroht. Sieben Arten sind bereits ausgestorben; 17 stehen auf der Vorwarnliste. Das bedeutet, dass sie zwar noch nicht gefährdet, ihre Bestände jedoch dramatisch eingebrochen sind. Das ist nicht allein die Schuld der Wasserkraft. Weitere Ursachen sind etwa die Trockenlegung von Flussauen und Schadstoffeinleitungen aus der Landwirtschaft. Dass jedoch Wasserkraftwerke mit ihren Querbauwerken und Turbinen zu den Haupttreibern des Artenschwunds in aquatischen Lebensräumen zählen, legt eine Studie der Technischen Universität München (TUM) nahe.
Fischschutz ist schwierig
Der Chef des Branchenverbands Vereinigung Wasserkraftwerke in Bayern (VWB), Fritz Schweiger, erklärt dagegen, es werde alles getan, um die Anlagen für Fische durchgängiger zu machen. Die meisten Betriebe hätten Fischtreppen und Rechen nachgerüstet und damit dem Fischschutz Genüge getan, sagt der Vorsitzende. Doch wie die TUM-Studie zeigt, sind Fischschutz-Rechen, die den Turbinen vorgeschaltet werden, in der Regel nutzlos. Denn das Gros der Fische folgt beim Abstieg der Hauptströmung, die durch die rotierende Turbine führt. Selbst Rechen mit Stababständen von nur zwei Zentimetern sind demnach kein Hindernis. „Über 90 Prozent aller Fische sind klein genug, um die Stäbe zu passieren“, erläutert Jürgen Geist, Leiter des Lehrstuhls für Aquatische Systembiologie an der TUM. „Je ausgeprägter ihr Wandertrieb, desto mehr Energie setzen sie ein, um sich durchzuarbeiten.“ Für die Studie, durchgeführt in Bayern ab 2014 an sieben kleinen Kraftwerken mit vier verschiedenen Technologien, wurden an den Unterläufen der Anlagen insgesamt mehr als 70.000 Fische gefangen und untersucht. Bei der Passage durch die Turbine erlitten die Tiere unter anderem Wirbelbrüche, Amputationen und innere Blutungen. Der Druckunterschied vor und hinter der Turbine ließ zudem bei vielen die Schwimmblase platzen. „Bei manchen Anlagen haben wir bei bestimmten Fischarten Todesraten bis zu 83 Prozent festgestellt“, berichtet Jürgen Geist.
Die Studie räumt somit mit einer Fehlannahme auf: Bislang galten Anlagen mit neuen Technologien wie Wasserschnecken oder extrem langsam laufenden Turbinen im Vergleich zu herkömmlichen Wasserkraftwerken als fischschonender. Jürgen Geist sagt dagegen: „Es gibt nicht die eine Turbinentechnologie, die Fische per se besser schützt als eine andere“. Das Ausmaß der Schäden hänge stark von lokalen Standortbedingungen wie Fallhöhe, Betriebsweise und den dort vorkommenden Fischarten ab. Nun hofft der Wissenschaftler, dass seine Studie dazu beiträgt, bestehende Wasserkraftwerke zu verbessern. Mit optimierten Anlagen lasse sich die Todesrate erheblich verringern, ist er überzeugt.
Das Problem der Talsperren
Doch Flüsse sind nicht nur Wanderwege für Fische, sondern auch Transportbänder für Gesteinsbrocken, Kies und Sand. Freifließende Flüsse mit einer natürlichen Eigendynamik mäandern, verzweigen sich, lagern mitgerissenes Geröll als Sediment ab und schaffen damit an der Flusssohle und an den Ufern ein Mosaik von Lebensräumen. „Besonders Gebirgsflüsse schütten an ihrer Sohle mehrere Meter dicke Kiesbänke auf“, erläutert Martin Pusch vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB). Im Hohlraumsystem dieser Kiesbänke siedelten über 90 Prozent aller Flusslebewesen. „Die Dichte wirbelloser Tiere kann bis zu 20.000 Individuen pro Quadratmeter betragen“, berichtet der Biologe. Von Wasser durchströmte Sand- und Kiesbänke sind zudem wichtig für die Selbstreinigung von Flüssen. „Organische Partikel und gelöste Stoffe bleiben im Hohlraumsystem hängen und werden von dort siedelnden Bakterien abgebaut“, erläutert Martin Pusch den Vorgang. Davon profitiere auch der Mensch, denn überall dort, wo Kläranlagen Wasser einleiten, würden organische Reststoffe in die Flüsse geschwemmt.
Wird ein Fluss jedoch aufgestaut, verliert er seine Selbstreinigungskraft. Zudem wird das Transportband unterbrochen. Das Geröll bleibt in der Stauzone liegen und fehlt dann im Unterlauf. Dort wühlt sich der Fluss mangels Materialnachschub tiefer in sein Bett, wodurch wiederum der Grundwasserspiegel sinkt. Zu beobachten beispielsweise an der Isar südlich von München. Hinter dem Damm des Sylvensteinspeichers, einem knapp 125 Millionen Kubikmeter fassenden Staubecken, dessen Kraftwerk etwa 6,5 Megawatt leistet, hat sich der einstige Wildfluss stellenweise bis zu 2,5 Meter tief eingegraben. Um die Erosion zu stoppen, sind nun das ganze Jahr über Lkw im Einsatz, die aufgestautes Geröll vom Oberlauf in den Unterlauf umlagern. Eine Praxis, die an Großkraftwerken mit kilometerlanger Stauhaltung unmöglich ist.
Sedimente lagern sich ab
In Talsperren lagert der Fluss das mitgerissene Sediment an den tiefsten Stellen ab, wo es sich anreichert. Viele Stauseen drohen deshalb vollzulaufen, allerdings nicht mit Wasser. Das sei ein weltweites Problem, berichtet IGB-Forscher Martin Pusch. „In den 1950er Jahren wurden Staudämme gebaut, die schon nach zehn Jahren voller Sediment waren.“ So wie der El-Mansour-Eddahbi-Stausee in Marokko, südöstlich des Atlas-Gebirges gelegen: 16 Kilometer lang, fünf Kilometer breit, zehn Megawatt Leistung – heute zur Hälfte versandet. Kein Einzelfall, wie der Weltwasserbericht 2021 der Vereinten Nationen zeigt: Obwohl in den vergangenen 20 Jahren weltweit neue Staudämme aus dem Boden gestampft wurden, darunter Großprojekte wie der Drei-Schluchten-Staudamm am Jangtsekiang in China mit einer Leistung von mehr als 22.000 Megawatt oder die Xiaowan-Talsperre am Mekong mit 4200 Megawatt, ist das globale Stauvolumen seit dem Jahr 2000 effektiv nicht mehr gewachsen.
Gegenmaßnahmen sind aufwendig. Am Fluss Mimi auf der Insel Kyushu, der südlichsten der vier Hauptinseln Japans, hat man zwei Staudämme mit tieferen Auslässen nachgerüstet. Bei Platzregen öffnen sie und schwemmen abgelagertes Sediment in den Unterlauf. Aber solche Nachrüstungen sind teuer und zudem nicht bei jedem Damm machbar.
An der Talsperre Pirk, mit 0,35 Megawatt Leistung eine vergleichsweise kleine Anlage, die die Weiße Elster im sächsischen Vogtland aufstaut, wurde das Problem anders gelöst: Um die meterdicken Sedimentmassen aus dem Staubecken abbaggern zu können, ließ man im Herbst 2007 kurzerhand das Wasser ab. 430.000 Kubikmeter Sediment wurden während der fast zwei Jahre dauernden Sanierung im hinteren Uferbereich zu einer Halde aufgeschüttet. Doch auch dieser Weg dürfte insbesondere für Betreiber von Großkraftwerken kaum gangbar sein.
Zu viel organisches Material
Das in Talsperren aufgestaute Sediment reduziert jedoch nicht nur das Speichervolumen, sondern setzt zudem erhebliche Mengen an Klimagasen frei. Lange hatte man geglaubt, dass sich Kohlenstoffspeicherung und Klimagasemissionen in Talsperren die Waage halten, dass die Stauseen also etwa gleich viel Kohlenstoff speichern, wie sie in Form von CO2 oder Methan über die Wasseroberfläche an die Atmosphäre abgeben. Doch neuere Studien zeigen, dass aus Talsperren doppelt so viel Kohlenstoff aufsteigt, wie im Sediment am Gewässergrund gebunden ist. Demnach emittieren Talsperren 1,3 Prozent der globalen menschengemachten Emissionen und damit mehr als das Industrieland Kanada.
Das liegt daran, dass Stauseen, in die beständig Blätter, abgerissene Äste oder tote Organismen eingespült werden, ein gefundenes Fressen für Bakterien sind. Unter Luftabschluss zersetzen sie das am Gewässergrund aufgestaute organische Material – ein Prozess, bei dem Methan entsteht, ein Treibhausgas, das etwa 28 Mal klimaschädlicher ist als CO2. Methan löst sich im Wasser zusammen mit darin gelöstem Sauerstoff, steigt in Form kleiner Gasbläschen an die Oberfläche und gelangt so in die Atmosphäre. Zwar spielen sich solche Abbauprozesse auch in Naturseen ab, doch in Talsperren, für die mit Wald und Wiesen bewachsene Täler geflutet wurden, geschieht dies in weit stärkerem Maße.
Hinzu kommt, dass der Wasserstand von Talsperren, bedingt durch Stromproduktion und Jahreszeiten, einem ständigen Auf und Ab unterliegt. Werden große Wassermengen abgelassen, fallen plötzlich weite Uferflächen trocken. Dabei steige Methan auf, erklärt der Wissenschaftler Martin Pusch: „Besonders viel Methan entsteht zu Beginn der Austrocknung und dann wieder, wenn starker -Regen auf die Trockenflächen fällt.“ Ein Phänomen, das sich mit fortschreitendem Klimawandel verstärke, ist Pusch überzeugt. „Methan-Freisetzungen aus trockenfallenden Gewässerabschnitten werden durch häufigere Extremwetter wie Dürre und Starkregen zunehmen“, führt er aus. „Denn genau während dieser Wechsel wird besonders viel Methan frei.“
Wasserkraft sei zwar erneuerbar, jedoch, anders als lange angenommen, keineswegs emissionsfrei oder gar nachhaltig.
