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Prinzip eines unterschlächtigen Wasserrades.
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Prinzip eines oberschlächtigen Wasserrades.
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Formel theoretische Leistung einer Wasserkraftanlage.
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Physikalische Grundlagen

Wasser zirkuliert innerhalb der Erdatmosphäre in einem Kreislaufsystem. Durch die Sonnenwärme verdunstet Wasser vor allem über den Ozeanen. Es steigt als Wasserdampf in die Atmosphäre auf und fällt im globalen Durchschnitt nach etwa 10 Tagen wieder auf die Erdoberfläche zurück. Die Sonne ist der „Motor“ des Wasserkreislaufs und die Wasserkraft ist eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie. Für die Wasserkraftnutzung ist nur der Teil des Niederschlags nutzbar, der über Land, in Gebieten mit einer Höhendifferenz zum Meeresspiegel fällt und der in Bächen und Flüssen abfließt.

Dieses Wasser enthält zwei Formen der Energie: Die Bewegungsenergie (kinetische Energie) durch das Fließen und die Lageenergie (potenzielle Energie) durch die Fallhöhe. Die unterschlächtigen Wasserräder (Abb. 2) zu Beginn der Wasserkraftnutzung haben nur die Bewegungsenergie genutzt. Die ins Wasser getauchten Schaufeln nahmen die Bewegungsenergie auf und übertrugen sie auf Rad und Welle. Erst die ca. ab dem Jahr 1200 entwickelten, oberschlächtigen Wasserräder (Abb. 3) und die später eingeführten Wasserturbinen nutzten auch die Lageenergie des Wassers. Die oberschlächtigen Systeme haben sich durchgesetzt, weil sie einen höheren Wirkungsgrad erreichen.

Die theoretische Leistung (Phyd) einer Wasserkraftanlage hängt von folgenden Parametern ab:
Phyd = ρW • g • QW • H
Dabei ist „ρW“ die Dichte des Wassers, „g“ die Erdbeschleunigung, „QW“ der Volumenstrom und „H“ die Fallhöhe des Wassers. Die beiden letzten Faktoren geben, da sie die Verhältnisse vor Ort erfassen, den Ausschlag bei der Beurteilung von Standorten. Dies bedeutet, dass eine große Fallhöhe ein geringes Wasservolumen kompensieren kann und umgekehrt. Ein Gebirgsbach mit einer Fallhöhe von mehreren hundert Metern erzeugt trotz einer nur geringen Wassermenge möglicherweise mehr Strom als ein Flusskraftwerk mit großem Volumenstrom, aber geringer Fallhöhe.

basisEnergie Nr. 18:
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