Wassertechnologien umfassen eine Vielzahl von Systemen, die Meeres- oder Süßwasser zur Erzeugung von Strom oder Wärmeenergie nutzen. Die bekannteste Wassertechnologie ist die Wasserkraft, bei der die Kraft des fließenden Wassers eine Turbine antreibt, die wiederum einen Generator zur Stromerzeugung betreibt. Wasserkraft und andere Wassertechnologien sind erneuerbar, da sich ihr Brennstoff auf natürliche Weise durch den Wasserkreislauf erneuert; sie sind saubere Alternativen zur Verbrennung fossiler Brennstoffe, die den Klimawandel verursachen. Im Gegensatz zu Erdgas, Kohle und anderen brennstoffbetriebenen Kraftwerken müssen für die Stromerzeugung keine Brennstoffe gekauft werden. Die einzigen Kosten sind der Bau und der Betrieb der Erzeugungsanlagen.

Weltweit macht die Wasserkraft etwa 15 Prozent der Stromerzeugung aus. Im Jahr 2014 verfügten die US-Wasserkraftwerke über eine Kapazität von rund 101.000 Megawatt (MW) und produzierten 6 Prozent der Gesamtenergie und 48 Prozent des erneuerbaren Stroms in den Vereinigten Staaten. Obwohl die meisten geeigneten Standorte für Großstaudämme in den Vereinigten Staaten und weltweit erschlossen sind, gibt es viele Möglichkeiten, Wasserkraftanlagen an bestehenden Dämmen zu installieren, die derzeit keine Stromerzeugungskapazität haben, und andere Wasserenergietechnologien in Flüssen, Gezeitenzonen und im offenen Meer zu nutzen. Laut zwei Studien des US-Energieministeriums aus dem Jahr 2012 könnten bestehende Staudämme, die derzeit keinen Strom erzeugen, eine zusätzliche Kapazität von 12.000 MW bereitstellen, und wenn neue Anlagen (einschließlich solcher, die Wellen und Gezeitenströme nutzen) gebaut werden, könnte die Wasserkraft bis 2030 potenziell 15 Prozent des amerikanischen Stroms liefern (gegenüber 6 Prozent heute).

Wasserkraftanlagen können an Flüssen, Meeren oder Seen installiert werden.

Flüsse

Dämme

Große Wasserkraftdämme an großen Flüssen sind die am weitesten entwickelten Erzeuger von Wasserenergie. Pumpspeicher- oder Stauseekraftwerke speichern das Wasser in einem Stausee, um es bei langsamerem Flusslauf oder zu Zeiten des größten Energiebedarfs freizugeben. Dies ermöglicht eine zuverlässige Grundlaststromerzeugung. Der Hoover-Damm in Nevada und der Grand-Coulee-Damm in Washington sind Beispiele für diese großen Anlagen. Große Staudämme erfüllen auch vielfältige gesellschaftliche Bedürfnisse wie Bewässerung, Hochwasserkontrolle und Freizeitgestaltung.

Es gibt mehrere Nachteile von Staudammanlagen. Studien deuten darauf hin, dass große Stauseen in borealen und tropischen Klimazonen so viele Treibhausgase ausstoßen wie ein Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen. Die überschwemmte Vegetation zersetzt sich und setzt Methan und Kohlendioxid in großen Mengen zu Beginn der Lebensdauer eines Staudamms und in geringeren Mengen während der gesamten Nutzungsdauer des Staudamms frei. Zu den weiteren Auswirkungen gehören Veränderungen der Wassertemperatur, des gelösten Sauerstoffs und anderer Nährstoffe, die Beeinträchtigung des Ökosystems des Flusses, die Vertreibung von Gemeinschaften durch die Veränderung des Flusslaufs und die Instabilität der Flussufer, die zu Abholzung, Überschwemmung und Erosion führt. Die Wasserkraft ist anfällig für den Klimawandel. Anhaltende Dürreperioden können den Wasserstand des Flusses verringern und damit die Stromerzeugung einschränken, während das Abschmelzen der Gletscher, das rasche Abschmelzen der Schneedecke oder die Veränderung der Niederschlagsmuster von Schnee zu Regen den Flusslauf erheblich verändern können.
Flusslaufkraftwerke

Flusslaufkraftwerke haben keine Wasserspeicher, sondern können Niedrigwasserdämme verwenden, um die Differenz zwischen dem Wassereinlass und der Turbine zu vergrößern. In diesem Fall erzeugt die natürliche Flussströmung Strom, und die erzeugte Strommenge schwankt je nach dem Zyklus des Flusses. Obwohl die Laufwasserkraft für die Stromerzeugung in großem Maßstab eingesetzt werden kann, wird sie in der Regel für die Stromversorgung einzelner Gemeinden mit einer Kapazität von weniger als 30 MW verwendet. Diese Form der Stromerzeugung ist in den ländlichen Gebieten Chinas sehr beliebt, kann aber auch an vielen anderen Orten eingesetzt werden, unter anderem in den Vereinigten Staaten. Im Vergleich zu großen Staudämmen stört die Laufwasserkraft in der Regel weniger den Flusslauf.
Strom

Die Stromerzeugung funktioniert ähnlich wie eine Windturbine, allerdings unter Wasser. Da Wasser dichter ist als Luft, erzeugt Wasser, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, viel mehr Strom als bei einer vergleichbaren Windgeschwindigkeit. Allerdings muss die Turbine selbst stärker sein und ist daher teurer. Die Umweltauswirkungen der derzeitigen Turbinen sind unklar. Sie könnten den Fischpopulationen schaden, aber es wurden fischsichere Turbinen entwickelt.

In den Vereinigten Staaten gibt es viele potenzielle Standorte, an denen Stromerzeugung stattfinden könnte, und mehrere Projekte sind im Gange, darunter die im East River in New York und in der Bucht von San Francisco. Die Federal Energy Regulatory Commission hat 2012 die erste Lizenz für ein kommerzielles Gezeitenenergie-Pilotprojekt in den USA erteilt. Die 10-Jahres-Lizenz sieht für das Projekt am East River (Roosevelt Island Tidal Energy) den Bau von 30 Turbinen zur Erzeugung von 1 MW vor.

Ozeane

Gezeitensperrwerk

Die Gezeitenkraft des Meeres macht sich den vorhersehbaren Energiezyklus der Gezeiten zunutze. Ein Gezeitensperrwerk funktioniert ähnlich wie ein großer Staudamm für Wasserkraftwerke, es wird jedoch am Eingang einer Bucht oder Mündung errichtet. Das in der Bucht aufgestaute Wasser wird über Turbinen in der Staustufe abgelassen und erzeugt Strom. Damit ein Staudamm wirtschaftlich funktioniert, muss die Spanne zwischen Ebbe und Flut groß genug sein, etwa zehn Fuß. Die besten potenziellen Standorte befinden sich in Nordeuropa und an der Westküste der Vereinigten Staaten. Ein Gezeitensperrwerk in La Rance, Frankreich, ist seit 1967 in Betrieb und hat eine Kapazität von 240 MW. Die potenziellen Umweltauswirkungen von Staudämmen könnten beträchtlich sein, da sie in empfindlichen Mündungsökosystemen gebaut werden, aber weniger störende Konzepte wie Zäune oder schwimmende Kähne werden derzeit entwickelt.
Gezeitenströmung

Ähnlich wie bei der Flussströmungstechnologie könnten Turbinen, die am Meeresboden verankert oder an einer Boje in der Strömungsbahn des Meeres aufgehängt sind, zur Stromerzeugung genutzt werden. Obwohl sich diese Technologie noch in der Entwicklungsphase befindet, sind einige potenzielle Standorte in den Vereinigten Staaten der Golf von Maine, North Carolina, der pazifische Nordwesten und der Golfstrom vor Florida.
Welle

Wenn sich der Wind über die Meeresoberfläche bewegt, überträgt er Energie auf das Wasser und erzeugt Wellen. Obwohl sie in Größe und Geschwindigkeit variieren, sind Wellen vorhersehbar und werden ständig erzeugt. Allein in den Küstengewässern der USA beläuft sich die jährliche Wellenenergie auf insgesamt 2.100 Terawattstunden.

Eine Vielzahl von Technologien zur Umwandlung von Wellenenergie in Strom wird derzeit getestet. Die meisten Systeme fangen die Energie an der Oberfläche der Wellen ein oder nutzen Druckunterschiede knapp unter der Oberfläche. Diese Systeme nutzen den Wellengang, um Druck zu erzeugen und Hydraulikpumpen oder Druckluft zu bewegen, die wiederum Generatoren in Bewegung setzen. Die Auswirkungen von Wellengeneratoren auf die Umwelt sind nicht vollständig bekannt, aber man geht davon aus, dass sie minimal und standortspezifisch sind.

Die besten potenziellen Standorte für die Wellenerzeugung sind Meeresgebiete mit starken Windströmungen. Diese Gebiete liegen zwischen 30° und 60° geographischer Breite, Polargebiete mit häufigen Stürmen, Gebiete in der Nähe der äquatorialen Passatwinde und die Westküsten der Kontinente. Hybride Wind- und Wellentechnologien für Offshore-Energieparks befinden sich in der Entwicklung. Potenzielle Standorte in den Vereinigten Staaten für hybride Wind-Wellen-Energieparks sind die Küstengebiete der Ostküste und des pazifischen Nordwestens.
Ozean-Thermal-Energieumwandlung

Ozean-Thermal-Energieumwandlung (OTEC) verwendet Dampf, der aus warmem Oberflächenwasser erzeugt wird, um Turbinen zu drehen. Kaltes Tiefseewasser kondensiert den Dampf wieder zu Wasser, das dann wiederverwendet wird. Zwischen dem Oberflächenwasser und dem Tiefenwasser ist ein Temperaturunterschied von 36°F erforderlich. Zu den potenziellen Standorten gehören tropische Inseln. OTEC befindet sich in einem frühen Entwicklungsstadium und ist aufgrund der hohen Kosten für das Pumpen von Tiefenwasser zu den Kraftwerken an der Oberfläche noch nicht kosteneffizient. OTEC kann mit ozeanothermischen Klimatisierungssystemen kombiniert werden (siehe unten). Außerdem kann das nährstoffreiche Tiefenwasser für die Aquakultur genutzt werden. In Teichen an der Oberfläche, die mit Tiefenwasser gespeist werden, können Lachs, Hummer und andere Meeresfrüchte sowie Plankton und Algen gezüchtet werden.
Ozean-/See-Thermal-Klimatisierung

Neben der Stromerzeugung kann Wasser auch für direkte Wärmeenergie genutzt werden. Wasser aus Seen oder Ozeanen kann zur Klimatisierung von Gebäuden genutzt werden. Das kalte Tiefenwasser wird zur Kühlung von Frischwasser verwendet, das in einem geschlossenen Rohrsystem durch das Gebäude zirkuliert, wodurch die Klimatisierung kostengünstiger ist als bei herkömmlichen Methoden. Das verbrauchte Wasser wird in den Ozean oder See zurückgeführt, um den Kreislauf zu erneuern. Das kalte Tiefenwasser muss zwischen 39°F und 45°F liegen und sich in Küstennähe befinden, um wirtschaftlich zu sein. Beispiele für ozeanthermische Kühlsysteme gibt es auf Hawaii (in Verbindung mit OTEC-Anlagen) und in Toronto, wo Wasser aus dem Ontariosee zur Klimatisierung von Gebäuden in der Innenstadt verwendet wird. OTEC-Großprojekte (100 MW+) in Inselgemeinden wie Puerto Rico, Hawaii oder Guam können wirtschaftlich rentabel sein.

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