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2026-07-28T19:06:46Z

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= Wasserkraft - Physik =

[[Datei:Hydropower Dam Diagram.svg|500px|rahmenlos|center]]

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= Einleitung =

'''Wasserkraft''' nutzt die [[Lageenergie]] oder [[Bewegungsenergie]] von Wasser. In einem Wasserkraftwerk wird diese Energie über eine [[Turbine]] und einen [[Generator]] in elektrische Energie umgewandelt. Das Thema verbindet [[Mechanik]], [[Energieerhaltung]], [[Leistung (Physik)|Leistung]], [[Wirkungsgrad]] und [[Elektromagnetische Induktion]].

Du lernst, wie ein Wasserkraftwerk aufgebaut ist, welche Turbinen verwendet werden und wie sich die Leistung berechnen lässt. Außerdem untersuchst Du Chancen und ökologische Folgen der Wasserkraft.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=u7NP160dF7s |500|center}}

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== Lernziele ==

Nach diesem aiMOOC kannst Du:
# [[Energieumwandlung]]: die Energiekette eines Wasserkraftwerks beschreiben.
# [[Leistung (Physik)|Leistung]]: die Leistung aus Fallhöhe, Durchfluss und Wirkungsgrad berechnen.
# [[Turbine]]: Pelton-, Francis- und Kaplan-Turbinen unterscheiden.
# [[Kraftwerk]]: Laufwasser-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke vergleichen.
# [[Umweltschutz]]: technische und ökologische Folgen begründet beurteilen.

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= Vom Wasser zum elektrischen Strom =

Wasser in einem hoch gelegenen Speicher besitzt '''potenzielle Energie'''. Strömt es nach unten, nimmt seine Geschwindigkeit zu. Die Turbine beginnt sich zu drehen. Ihre Welle treibt den Generator an. Im Generator entsteht durch [[Elektromagnetische Induktion]] eine elektrische Spannung.

Die Energiekette lautet:

'''Lageenergie des Wassers → Bewegungsenergie → Rotationsenergie der Turbine → elektrische Energie'''

Ein Teil der Energie wird durch Reibung, Verwirbelungen, Schall und Wärme an die Umgebung abgegeben. Deshalb ist die nutzbare elektrische Energie kleiner als die zugeführte Energie.

[[Datei:Hydroelectric dam german.png|500px|rahmenlos|center]]

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== Wichtige Bauteile ==

# [[Stausee]] oder Fluss: stellt Wasser bereit.
# [[Einlaufbauwerk]]: regelt den Wasserzufluss und hält grobe Gegenstände zurück.
# [[Druckrohrleitung]]: führt Wasser zur Turbine.
# [[Wasserturbine|Turbine]]: wandelt Wasserenergie in Drehbewegung um.
# [[Generator]]: wandelt mechanische in elektrische Energie um.
# [[Transformator]]: passt die Spannung für das Stromnetz an.
# [[Unterwasser]]: führt das Wasser zurück in den Fluss.

[[Datei:Hydroelectric Generator.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=WJ7ScHVpXzg |500|center}}

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= Physikalische Grundlagen =

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== Lageenergie ==

Ein Körper der Masse <math>m</math> besitzt in der Höhe <math>h</math> die potenzielle Energie

<math>E_\mathrm{pot}=m\cdot g\cdot h</math>

Dabei ist <math>g \approx 9{,}81\,\mathrm{m/s^2}</math> die Erdbeschleunigung. Je größer die Wassermasse und die Fallhöhe sind, desto mehr Energie steht zur Verfügung.

Da für Wasser näherungsweise <math>m=\rho\cdot V</math> gilt, kann auch das Volumen <math>V</math> verwendet werden. Die Dichte von Wasser beträgt ungefähr

<math>\rho \approx 1000\,\mathrm{kg/m^3}</math>.

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== Durchfluss und Leistung ==

Der Volumenstrom oder Durchfluss <math>Q</math> beschreibt, welches Wasservolumen pro Zeit durch die Turbine fließt:

<math>Q=\frac{V}{t}</math>

Die Einheit ist <math>\mathrm{m^3/s}</math>. Die theoretische hydraulische Leistung lautet

<math>P_\mathrm{hyd}=\rho\cdot g\cdot Q\cdot h</math>.

Wegen unvermeidbarer Verluste wird der [[Wirkungsgrad]] <math>\eta</math> ergänzt:

<math>P_\mathrm{el}=\eta\cdot\rho\cdot g\cdot Q\cdot h</math>.

Dabei gilt <math>0<\eta<1</math>. Ein Wirkungsgrad von <math>0{,}85</math> entspricht <math>85\,\%</math>.

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== Rechenbeispiel ==

Gegeben sind eine Fallhöhe von <math>20\,\mathrm{m}</math>, ein Durchfluss von <math>5\,\mathrm{m^3/s}</math> und ein Gesamtwirkungsgrad von <math>0{,}85</math>.

<math>P_\mathrm{el}=0{,}85\cdot1000\,\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m^3}}\cdot9{,}81\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s^2}}\cdot5\,\frac{\mathrm{m^3}}{\mathrm{s}}\cdot20\,\mathrm{m}</math>

<math>P_\mathrm{el}\approx833\,850\,\mathrm{W}\approx834\,\mathrm{kW}</math>

Das Beispiel zeigt: Eine größere Fallhöhe oder ein größerer Durchfluss erhöht die Leistung. Verdoppelt sich nur die Fallhöhe, verdoppelt sich bei sonst gleichen Bedingungen auch die Leistung.

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== Wirkungsgrad und Energie ==

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Leistung:

<math>\eta=\frac{P_\mathrm{nutz}}{P_\mathrm{zu}}</math>

Die in einer Zeitspanne erzeugte elektrische Energie wird mit

<math>E=P\cdot t</math>

berechnet. Für elektrische Energie wird häufig die Einheit [[Kilowattstunde]] verwendet.

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= Turbinen =

Die geeignete Turbine hängt vor allem von '''Fallhöhe''' und '''Durchfluss''' ab. Die Einsatzbereiche überlappen; die konkrete Auswahl wird für jedes Kraftwerk technisch geplant.

[[Datei:Application-range-turbines DE.svg|500px|rahmenlos|center]]

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== Pelton-Turbine ==

Die [[Pelton-Turbine]] eignet sich besonders für große Fallhöhen und eher kleine Durchflüsse. Ein oder mehrere schnelle Wasserstrahlen treffen auf becherförmige Schaufeln. Die Richtungsänderung des Wassers überträgt Impuls auf das Laufrad.

[[Datei:PeltonSketch.svg|500px|rahmenlos|center]]

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== Francis-Turbine ==

Die [[Francis-Turbine]] wird häufig bei mittleren Fallhöhen eingesetzt. Das Wasser strömt durch ein Spiralgehäuse und Leitschaufeln zum Laufrad. Es durchströmt die Turbine in radialer und axialer Richtung.

[[Datei:FrancisSketch.svg|500px|rahmenlos|center]]

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== Kaplan-Turbine ==

Die [[Kaplan-Turbine]] ähnelt einem Propeller. Sie eignet sich besonders für geringe Fallhöhen und große Wassermengen. Verstellbare Laufschaufeln ermöglichen einen guten Wirkungsgrad bei wechselndem Durchfluss.

[[Datei:KaplanSketch.svg|500px|rahmenlos|center]]

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== Vergleich der Laufräder ==

[[Datei:Water turbine runners.jpg|500px|rahmenlos|center]]

Von links nach rechts sind unterschiedliche Bauformen zu erkennen: Pelton-, Francis- und Kaplan-Laufräder. Ihre Form ist an die jeweilige Strömung angepasst.

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= Arten von Wasserkraftwerken =

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== Laufwasserkraftwerk ==

Ein [[Laufwasserkraftwerk]] nutzt den laufenden Abfluss eines Flusses. Es erzeugt meist gleichmäßig Strom, kann die Produktion aber nur begrenzt verschieben. Häufig sind die Fallhöhen gering und die Durchflüsse groß.

{{BR}}
== Speicherkraftwerk ==

Ein [[Speicherkraftwerk]] hält Wasser in einem höher gelegenen Speicher zurück. Bei Strombedarf wird Wasser zur Turbine geleitet. Dadurch lässt sich die Stromerzeugung zeitlich steuern.

{{BR}}
== Pumpspeicherkraftwerk ==

Ein [[Pumpspeicherkraftwerk]] besitzt ein Ober- und ein Unterbecken. Bei Stromüberschuss wird Wasser nach oben gepumpt. Später fließt es durch eine Turbine zurück und erzeugt Strom. Ein Pumpspeicherkraftwerk ist daher vor allem ein '''Energiespeicher''' und keine zusätzliche Energiequelle. Wegen Verlusten kommt weniger elektrische Energie zurück, als zuvor zum Pumpen eingesetzt wurde.

[[Datei:Raccoon Mountain Pumped-Storage Plant.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=QA_mYzOA9OU |500|center}}

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== Kleinwasserkraft ==

Kleine Anlagen können einzelne Orte, Betriebe oder abgelegene Einrichtungen versorgen. Auch kleine Kraftwerke verändern jedoch ein Gewässer. Ihre ökologische Wirkung muss deshalb am Standort geprüft werden.

[[Datei:Microhydro System-de.svg|500px|rahmenlos|center]]

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= Wasserrad und moderne Turbine =

Wasserräder wurden lange vor elektrischen Generatoren genutzt. Sie trieben beispielsweise Mühlen, Sägen oder Pumpen an. Moderne Wasserturbinen arbeiten meist mit höheren Drehzahlen und sind für die Stromerzeugung optimiert.

[[Datei:Overshot Water Wheel Sketch.svg|500px|rahmenlos|center]]

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= Umwelt und Nachhaltigkeit =

Wasserkraft nutzt den natürlichen Wasserkreislauf und benötigt im Betrieb keinen Brennstoff. Anlagen können lange betrieben und gut geregelt werden. Gleichzeitig greifen Wehre, Dämme und Stauseen in Flüsse und Landschaften ein.

Mögliche Folgen sind:
# [[Fischwanderung]]: Bauwerke können Wanderwege unterbrechen.
# [[Sediment]]: Geschiebe und Sand werden zurückgehalten oder anders verteilt.
# [[Lebensraum]]: Strömung, Wassertiefe und Ufer verändern sich.
# [[Restwasser]]: Ausgeleitete Flussabschnitte können zu wenig Wasser erhalten.
# [[Landschaft]]: Große Speicher können Flächen überstauen und Menschen zur Umsiedlung zwingen.

Gegenmaßnahmen sind beispielsweise Fischaufstiegsanlagen, Umgehungsgewässer, ausreichende Restwassermengen, Rechen vor Turbineneinläufen, Fischabstiege und ein angepasstes Sedimentmanagement. Solche Maßnahmen können Belastungen mindern, aber nicht immer vollständig verhindern.

[[Datei:Fish Ladder, Bonneville Dam-1.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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= Experiment: Ein einfaches Wasserrad =

Baue ein kleines Wasserrad aus wasserfestem Karton, Löffeln oder Deckeln. Befestige es auf einer Achse und lasse Wasser aus verschiedenen Höhen darauf treffen. Miss jeweils die Umdrehungen in zehn Sekunden.

Untersuche:
# Wie verändert die Fallhöhe die Drehzahl?
# Wie wirkt sich eine größere Wassermenge aus?
# Welche Schaufelform überträgt die Bewegung am besten?
# Wo treten Energieverluste auf?

'''Sicherheit:''' Verwende kein Netzstromgerät in der Nähe von Wasser. Lasse Wasser nur in einem geeigneten Becken laufen und trockne verschüttetes Wasser sofort auf.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=TygEbFnyMqg |500|center}}

{{BR}}
= Merksätze =

# Je größer Fallhöhe und Durchfluss sind, desto größer kann die Leistung sein.
# Die Turbine wandelt Wasserenergie in mechanische Rotationsenergie um.
# Der Generator wandelt mechanische Energie durch Induktion in elektrische Energie um.
# Der Wirkungsgrad beschreibt den nutzbaren Anteil der zugeführten Leistung.
# Pumpspeicherkraftwerke speichern Energie, erzeugen aber keine zusätzliche Energie.
# Wasserkraft ist erneuerbar, kann Gewässer und Lebensräume jedoch stark verändern.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Energie besitzt Wasser in einem hoch gelegenen Speicher?'''
(Lageenergie)
(!Chemische Energie)
(!Kernenergie)
(!Schallenergie)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welches Bauteil wird direkt vom Wasser angetrieben?'''
(Turbine)
(!Transformator)
(!Stromleitung)
(!Schalter)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Größe beschreibt das Wasservolumen pro Zeit?'''
(Durchfluss)
(!Spannung)
(!Dichte)
(!Temperatur)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Formel beschreibt die elektrische Leistung eines Wasserkraftwerks vereinfacht?'''
(P gleich Eta mal Rho mal g mal Q mal h)
(!P gleich U geteilt durch I)
(!P gleich m geteilt durch V)
(!P gleich Q geteilt durch h)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Turbine passt besonders zu großer Fallhöhe und kleinem Durchfluss?'''
(Pelton-Turbine)
(!Kaplan-Turbine)
(!Dampfturbine)
(!Windturbine)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Turbine ähnelt einem Propeller?'''
(Kaplan-Turbine)
(!Pelton-Turbine)
(!Francis-Turbine)
(!Gasturbine)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was geschieht im Generator?'''
(Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt)
(!Elektrische Energie wird in Lageenergie umgewandelt)
(!Wasser wird chemisch zerlegt)
(!Der Durchfluss wird vollständig gestoppt)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was beschreibt der Wirkungsgrad?'''
(Das Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Leistung)
(!Die Höhe des Staudamms)
(!Die Länge der Stromleitung)
(!Die Dichte des Wassers)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage zum Pumpspeicherkraftwerk ist richtig?'''
(Es speichert Energie durch hochgepumptes Wasser)
(!Es erzeugt Energie ohne Verluste)
(!Es benötigt nur ein Wasserbecken)
(!Es arbeitet ohne Turbine)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Maßnahme kann die Fischwanderung erleichtern?'''
(Fischaufstiegsanlage)
(!Höhere Netzspannung)
(!Größerer Generator)
(!Längere Druckrohrleitung)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Lageenergie || Energie aufgrund einer Höhe
|-
| Turbine || Wandelt Wasserenergie in Drehbewegung um
|-
| Generator || Erzeugt elektrische Energie aus Rotation
|-
| Fallhöhe || Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser
|-
| Durchfluss || Wasservolumen pro Zeit
|-
| Wirkungsgrad || Verhältnis von Nutzleistung zu zugeführter Leistung
|-
| Peltonrad || Turbine für große Fallhöhen
|-
| Kaplanrad || Propellerartige Turbine für große Durchflüsse
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Aufgabe im Wasserkraftwerk
|-
| '''Stausee'''
| Speichert Wasser in erhöhter Lage
|-
| '''Druckrohrleitung'''
| Führt Wasser mit Druck zur Turbine
|-
| '''Turbine'''
| Wandelt Strömung in Drehbewegung um
|-
| '''Generator'''
| Wandelt Drehbewegung in elektrische Energie um
|-
| '''Transformator'''
| Passt die elektrische Spannung an

|}
{{E}}

<br>
...
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Turbine || Welches Bauteil wird vom Wasser in Drehung versetzt?
|-
| Generator || Welches Bauteil erzeugt aus der Drehbewegung elektrische Energie?
|-
| Fallhöhe || Welcher Höhenunterschied beeinflusst die Leistung?
|-
| Durchfluss || Welche Größe gibt das Wasservolumen pro Zeit an?
|-
| Wirkungsgrad || Welche Größe beschreibt den nutzbaren Anteil der Leistung?
|-
| Induktion || Welches physikalische Prinzip nutzt der Generator?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Wasserkraft+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Wasser in großer Höhe besitzt { Lageenergie }.<br>
Beim Herabströmen wird ein Teil davon in { Bewegungsenergie } umgewandelt.<br>
Das Wasser setzt die { Turbine } in Drehung.<br>
Die Turbinenwelle treibt den { Generator } an.<br>
Die elektrische Spannung entsteht durch elektromagnetische { Induktion }.<br>
Der Volumenstrom pro Zeit heißt { Durchfluss }.<br>
Der Höhenunterschied wird als { Fallhöhe } bezeichnet.<br>
Verluste werden mit dem { Wirkungsgrad } berücksichtigt.<br>
Eine propellerartige Wasserturbine heißt { Kaplan-Turbine }.<br>
Ein Pumpspeicherkraftwerk dient vor allem als { Energiespeicher }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Energiekette]]: Zeichne die Energieumwandlungen eines Wasserkraftwerks mit Pfeilen und beschrifte jede Energieform.
# [[Wasserrad]]: Baue ein einfaches Wasserrad und dokumentiere mit Fotos, wie Du die Schaufelform verbessert hast.
# [[Kraftwerksbauteile]]: Erstelle ein beschriftetes Schaubild mit Stausee, Druckrohrleitung, Turbine, Generator und Unterwasser.
# [[Turbinenvergleich]]: Gestalte drei Steckbriefe zu Pelton-, Francis- und Kaplan-Turbine.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Messreihe]]: Untersuche experimentell, wie die Fallhöhe die Drehzahl eines Modellwasserrads beeinflusst, und stelle die Werte in einem Diagramm dar.
# [[Leistungsberechnung]]: Erfinde drei realistische Aufgaben zu Fallhöhe, Durchfluss und Wirkungsgrad und löse sie mit vollständigem Rechenweg.
# [[Pumpspeicher]]: Erkläre in einem kurzen Video, warum ein Pumpspeicherkraftwerk ein Speicher und keine Energiequelle ist.
# [[Gewässerökologie]]: Recherchiere ein Wasserkraftwerk in Deiner Region und beschreibe vorhandene Maßnahmen zum Schutz von Fischen und Flusslebensräumen.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Kraftwerksplanung]]: Wähle für drei Standorte mit unterschiedlichen Fallhöhen und Durchflüssen passende Turbinen und begründe Deine Entscheidung.
# [[Energiebilanz]]: Entwickle eine Energiebilanz für ein Pumpspeicherkraftwerk und untersuche, wie sich Verluste auf die zurückgewonnene Energie auswirken.
# [[Debatte]]: Führe eine strukturierte Debatte zur Frage durch, ob ein neues Wasserkraftwerk an einem naturnahen Fluss gebaut werden sollte.
# [[Forschungsprojekt]]: Plane eine Untersuchung, mit der Du Leistung und Wirkungsgrad eines kleinen Wasserradmodells experimentell bestimmen kannst.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Modellvergleich]]: Zwei Kraftwerksstandorte haben unterschiedliche Fallhöhen und Durchflüsse. Entscheide mithilfe der Leistungsformel, welcher Standort mehr Leistung liefern kann, und begründe Deine Annahmen.
# [[Fehleranalyse]]: Eine Rechnung setzt den Wirkungsgrad mit 85 statt mit 0,85 ein. Erkläre den Fehler und seine Auswirkung auf das Ergebnis.
# [[Turbinenwahl]]: Begründe, warum eine Pelton-Turbine für einen flachen, wasserreichen Fluss meist ungeeignet ist, und schlage eine passendere Bauform vor.
# [[Energieerhaltung]]: Erkläre, warum ein Pumpspeicherkraftwerk beim Ablassen niemals mehr elektrische Energie liefern kann, als zuvor zum Hochpumpen eingesetzt wurde.
# [[Umweltbewertung]]: Bewerte ein geplantes Laufwasserkraftwerk anhand von Energieertrag, Fischwanderung, Restwasser und Sedimenttransport.
# [[Systemdenken]]: Entwickle eine Energiekette, in der ein Pumpspeicherkraftwerk überschüssigen Windstrom speichert und später Verbraucher versorgt.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
# die Energieumwandlung vom Wasser bis zum Strom fachsprachlich erklären kannst.
# die Größen Fallhöhe, Durchfluss, Dichte, Erdbeschleunigung und Wirkungsgrad sicher verwendest.
# die Formel <math>P_\mathrm{el}=\eta\rho gQh</math> anwenden und Ergebnisse mit Einheiten angeben kannst.
# Pelton-, Francis- und Kaplan-Turbinen begründet zuordnen kannst.
# Laufwasser-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke vergleichen kannst.
# technische Vorteile und ökologische Folgen ausgewogen beurteilen kannst.
# Messwerte, Diagramme oder Modelle verständlich dokumentieren kannst.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Wasserkraft </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Wasserkraft - Physik]]'''
# [[Energie]]
# [[Energieerhaltung]]
# [[Mechanische Arbeit]]
# [[Leistung (Physik)|Leistung]]
# [[Wirkungsgrad]]
# [[Strömungslehre]]
# [[Wasserturbine]]
# [[Generator]]
# [[Elektromagnetische Induktion]]
# [[Erneuerbare Energie]]
# [[Energiespeicher]]
# [[Gewässerökologie]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Energie]]
[[Kategorie:Mechanik]]
[[Kategorie:Elektrizitätslehre]]
[[Kategorie:Erneuerbare Energie]]
[[Kategorie:Wasserkraft]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]
[[Kategorie:Klasse 7-10]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Wasserkraft - Physik - Versionsgeschichte

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