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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Wasserkraft - Physik

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, 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.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

Energieumwandlung: die Energiekette eines Wasserkraftwerks beschreiben.
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.

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.

Wichtige Bauteile

Stausee oder Fluss: stellt Wasser bereit.
Einlaufbauwerk: regelt den Wasserzufluss und hält grobe Gegenstände zurück.
Druckrohrleitung: führt Wasser zur Turbine.
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.

Physikalische Grundlagen

Lageenergie

Ein Körper der Masse $m$ besitzt in der Höhe $h$ die potenzielle Energie

$E_{p o t} = m \cdot g \cdot h$

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

Da für Wasser näherungsweise $m = ρ \cdot V$ gilt, kann auch das Volumen $V$ verwendet werden. Die Dichte von Wasser beträgt ungefähr

$ρ \approx 1000 k g / m^{3}$ .

Durchfluss und Leistung

Der Volumenstrom oder Durchfluss $Q$ beschreibt, welches Wasservolumen pro Zeit durch die Turbine fließt:

$Q = \frac{V}{t}$

Die Einheit ist $m^{3} / s$ . Die theoretische hydraulische Leistung lautet

$P_{h y d} = ρ \cdot g \cdot Q \cdot h$ .

Wegen unvermeidbarer Verluste wird der Wirkungsgrad $η$ ergänzt:

$P_{e l} = η \cdot ρ \cdot g \cdot Q \cdot h$ .

Dabei gilt Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle 0<\eta<1} . Ein Wirkungsgrad von $0,85$ entspricht $85 %$ .

Rechenbeispiel

Gegeben sind eine Fallhöhe von $20 m$ , ein Durchfluss von $5 m^{3} / s$ und ein Gesamtwirkungsgrad von $0,85$ .

$P_{e l} = 0,85 \cdot 1000 \frac{k g}{m^{3}} \cdot 9,81 \frac{m}{s^{2}} \cdot 5 \frac{m^{3}}{s} \cdot 20 m$

$P_{e l} \approx 833 850 W \approx 834 k W$

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.

Wirkungsgrad und Energie

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Leistung:

$η = \frac{P_{n u t z}}{P_{z u}}$

Die in einer Zeitspanne erzeugte elektrische Energie wird mit

$E = P \cdot t$

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

Turbinen

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

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.

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.

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.

Vergleich der Laufräder

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

Arten von Wasserkraftwerken

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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

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

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

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)

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

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

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)

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

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)

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

Memory

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

Drag and Drop

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

...

Kreuzworträtsel

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?

LearningApps

Lückentext

Wasser in großer Höhe besitzt

.

Beim Herabströmen wird ein Teil davon in

umgewandelt.

Das Wasser setzt die

in Drehung.

Die Turbinenwelle treibt den

an.

Die elektrische Spannung entsteht durch elektromagnetische

.

Der Volumenstrom pro Zeit heißt

.

Der Höhenunterschied wird als

bezeichnet.

Verluste werden mit dem

berücksichtigt.

Eine propellerartige Wasserturbine heißt

.

Ein Pumpspeicherkraftwerk dient vor allem als

.

Offene Aufgaben

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.

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.

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.

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.

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 $P_{e l} = η ρ g Q h$ 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.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Wasserkraft - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.