Wasserräder und deren Weiterentwicklungen

Die Historie des Wasserrades reicht bis in das vierte Jahrhundert vor der christlichen Zeitrechnung zurück. Die Wasserkraft gehört damit zu den ältesten vom Menschen mithilfe spezieller Maschinen genutzten Energieformen überhaupt. Damals wurden Wasserräder zur Nutzung der Wasserkraft in der Form von mechanischer Energie verwendet. Mit Wasserkraft wurden zum Beispiel Mühlen, Schmiedehämmer und Sägewerke betrieben. Um 1875 gab es in Deutschland fast 60.000 Wassermühlen. Die Nutzung der Wasserkraft zur Erzeugung elektrischen Stroms begann in dieser Zeit im sehr späten 19. Jahrhundert.

Unser Tipp:

Sehr interessant, gut recherchiert und sehenswert ist die Video-Dokumentation „Die Geschichte der Wassermühlen“ von Romke Schievink und Ansgar Rahmacher (2004 bis 2007), https://www.youtube.com/watch?v=7GcBdnpk89w bzw. http://www.muehlendvd.de, Unser letzter Zugriff: 02.01.2016

Einfluss auf die Gegenwart

Obwohl die meisten Standorte antiker oder mittelalterlicher Wasserkraftanlagen heute nicht mehr in Betrieb sind, existieren gelegentlich noch Wassernutzungsrechte, die für die Errichtung einer modernen Wasserkraftanlage unter Umständen aktiviert werden können.

Zwar wird Wasserkraft heute fast ausschließlich mit hochleistungsfähigen Turbinen in Verbindung gebracht, doch haben Wasserräder ihre Bedeutung bei Weitem nicht verloren. Im Gegenteil: Diese Technik wird in der Forschung wieder entdeckt und es werden auf dem Prinzip des Wasserrades sogar neue Systeme entwickelt. Wasserräder werden heute an Standorten eingesetzt, wo sich der Betrieb einer Turbine nicht lohnen würde. Sie haben verschiedene Vorteile:

  • Geringe Investitionskosten

  • Einfache Wartung

  • Unempfindlich gegen Verstopfung

  • Sinnvoller Einsatz auch bei energiearmen Gewässern

In den Wintermonaten haben Wasserräder jedoch einen großen Nachteil, denn sie sind empfindlich gegen Vereisung!

Über die Jahrtausende hinweg haben sich verschiedene Typen von Wasserrädern wie das Schaufel- und Zellenrad entwickelt. Ein Zellenrad transportiert das einfließende Wasser in Behältern und kann somit das das Wasser bis zu einer halben Umdrehung halten. Schaufelräder sind sehr einfach konstruiert. In der einfachsten Variante lässt sich ein Schaufelrad mit kreisförmig angeordneten Holzbrettern realisieren. In modernen Anlagen verwendet man gekrümmte Bleche.

Zellenräder wurden vorzugsweise in Bewässerungssystemen eingesetzt. Bei ihnen wird von Außen mechanische Antriebsenergie zugeführt und Wasser von einem tiefen auf ein hohes Niveau gehoben. Für Wasserkraftanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie bieten dagegen Schaufelräder in Verbindung mit einem Kropfgerinne Vorteile. Bei einem Kropfgerinne handelt es sich um ein der Form der Schaufeln angepasstes Gerinne. Dies ermöglicht es, das Wasser ohne signifikante Leckagen im Rad zu halten und damit dessen Energie optimal auszunutzen. Das Schaufelrad führt nur so lange Wasser, wie es energetisch sinnvoll nutzbar ist. Das bedeutet, dass die Schaufel schnellstmöglich im Unterwasser entleert wird, um Bremswirkungen zu vermeiden. 

Einsatzbereich eines Wasserrades

Wasserräder können sinnvoll zum Einsatz kommen, wenn das Gewässer nur relativ geringe Fallhöhen bietet. In der Tat lassen sich Wasserräder bereits bei Fallhöhen von 0,5 m bis zu ungefähr 7 m sinnvoll nutzen. Ebenso breit ist der Bereich der Durchflussmengen: Wasserräder arbeiten bereits bei geringen Wassermengen um 0,03 m3/s. Bei stärkeren Durchflüssen sollte jedoch über Alternativen nachgedacht werden. Bei mehr als 3 m3/s sind Wasserräder zu uneffektiv. Denkbar ist allerdings die parallele Anordnung mehrerer Wasserräder, die bedarfsweise zu- oder abgeschaltet werden. Bei Sonderformen, wie z.B. die Durchströmturbine, sind allerdings Schluckvermögen von bis zu 13 m3/s möglich. Die erreichbaren Wirkungsgrade können sehr hoch sein und je nach Typ des Wasserrades bis zu 85% betragen.

Wasserräder sind grundsätzlich langsam laufende Energiewandler mit fünf bis acht Umdrehungen in der Minute. Aufgrund der großen Raddurchmesser werden allerdings beachtliche Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 2 m/s erreicht (nach Giesecke, Jürgen/Mosonyi, Emil, Wasserkraftanlagen – Planung, Bau und Betrieb, 5. aktualisierte und erweiterte Auflage, Springer Verlag, Heidelberg/Dordrecht/London/New York, 2009, ISBN: 978-3-540-88988-5, Seite 609). Das Drehmoment ist dabei relativ groß, was in frühen Zeiten den Antrieb von Mühlen, Säge- und Hammerwerken ermöglichte. Um die geringen Drehzahlen des Rades für die Erzeugung elektrischen Stromes nutzbar zu machen, werden Getriebe oder Riemenübersetzungen eingesetzt.

Darstellung eines historischen Wasserrades im Wasserkraftmuseum Ziegenrück
Darstellung eines historischen Wasserrades im Wasserkraftmuseum Ziegenrück

Es gibt zwei Planungsgrundsätze für Wasserräder:

  • Zum einen muss der Wasseraufschlag ohne Stoß erfolgen. Das bedeutet, dass es weder bei Strömungs- noch in den Druckverhältnissen nennenswerte plötzliche Schwankungen gibt. Damit werden destruktive Schwankungen in der Krafteinwirkung vermieden.

  • In der Projektierung der Anlage ist zudem unbedingt die Kalkulation der Umfangsgeschwindigkeit des Rades zu beachten, die die Hälfte der Einlaufgeschwindigkeit des Triebwassers entsprechen sollte.

Wasserrad-Typen

Man unterscheidet grundlegend drei verschiedene Typen von Wasserrädern nach deren Beaufschlagung mit dem Triebwasser:

  • oberschlächtiges Wasserrad (Sonderform: Kehrrad)

  • mittelschlächtiges Wasserrad

  • unterschlächtiges Wasserrad (Sonderform: tiefschlächtiges Wasserrad)

Eine konstruktionsbedingte Sonderform des (oberschlächtigen) Wasserrades ist das so genannte Kehrrad In der mechanischen Energiewandlung wurden zwei parallel angeordnete Schaufelräder mit entgegengesetztem Laufsinn dazu genutzt, um die Laufrichtung wählen zu können. Für den Antrieb von elektrischen Generatoren hat diese Form des oberschlächtigen Wasserrades keine Bedeutung. 

Oberschlächtiges Wasserrad

Das Oberschlächtige Wasserrad wird im Scheitel des Rades oder in Laufrichtung dicht dahinter beaufschlagt. Damit verweilt das Wasser ungefähr eine Viertel Umdrehung des Rades in den Schaufeln, bis es im freien Fall ins Unterwasser abfließt. Bei einem Zellenwasserrad kann das Wasser sogar nahezu auf eine halbe Radumdrehung auf das Rad einwirken. Der Wirkungsgrad kann hier zwischen 80% und 85% betragen. Wichtig ist allerdings, dass die Zellen spätestens am unteren Punkt des Rades entleert sind, da sonst das Gewicht des in den Zellen befindlichen Restwassers gegenüber der Drehung eine Gegenkraft darstellt und somit das Rad bremsen würde.

Oberschlächtige Wasserräder nutzen die potenzielle Energie des Wassers aus und werden bei Fallhöhen von 2 m bis über 5 m eingesetzt. Allerdings arbeiten oberschlächtige Wasserräder nur mit einem vergleichsweise geringen Schluckvermögen bis maximal 1,5 m3/s. 

Mittelschlächtiges Wasserrad

Beim mittelschlächtigen Wasserrad erfolgt die Beaufschlagung auf halber Radhöhe bzw. unwesentlich darunter. Dieser Typ wird auch als „rückschlächtiges“ Wasserrad bezeichnet, weil die Beaufschlagung am hinteren Bereich des Rades erfolgt. Der Drehsinn ist entgegen der Strömungsrichtung. Die Fallhöhen des Wassers liegen bei diesem Typ bei bis zu 3 m. Das Schluckvermögen liegt je nach Ausführung zwischen 0,2 m3/s und 2 m3/s.

Optimierungen des Wirkungsgrades lassen sich durch die Triebwasserführung in einem Kropfgerinne erreichen. Die Wirkungsgrade können so bis zu 85% betragen. Beim Kropfgerinne handelt es sich um eine Wasserführung, die der Rundung des Wasserrades und der Form der Schaufeln angepasst ist. Dadurch geht extrem wenig Triebwasser durch Leckagen verloren und kann so über den gesamten Wirkungsbereich am Rad die Energie übertragen. Aufgrund dieser Wasserführung wird neben der überwiegend durch die Fallhöhe gegebenen potenziellen Energie des Wassers auch ein Teil der kinetischen Energie umgesetzt und der Wirkungsgrad dadurch verbessert. 

Unterschlächtiges Wasserrad

Bietet das Gewässer nur ein sehr geringes Gefälle (0,5 m bis 2,5 m), so kann die Energie des Wassers möglicherweise mit einem unterschlächtigen Wasserrad genutzt werden. Das Schluckvermögen eines solchen Wasserrades beträgt bis zu 3 m3/s. Die durch ein unterschlächtiges Wasserrad umgesetzte Energie basiert also im wesentlichen auf die kinetische Energie des Wassermassenstroms und nur zu einem geringen Anteil auf der potenziellen Energie, die mit dem minimalen Gefälle begründet ist. Der Wirkungsgrad eines unterschlächtigen Wasserrades wird bei maximal 70% gesehen.

Das Triebwasser wird bei einem unterschlächtigen Wasserrad in einem Trog förmigen Gerinne zugeführt. Kurz vor dem Tiefpunkt des Rades wird das Gerinne leicht erhöht und gleich danach idealerweise stark eingetieft. Die Eintiefung bewirkt ein rasches Entleeren der Schaufeln, wodurch eine Bremswirkung durch Restwasser in der aufsteigenden Bewegung des Rades vermieden wird.

Tiefschlächtiges Wasserrad

Das tiefschlächtige Wasserrad wird häufig mit dem unterschlächtigen Wasserrad gleichgesetzt. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, dass ein tiefschlächtiges Wasserrad ausschließlich die kinetische Energie des Triebwassers nutzt. Das Prinzip des tiefschlächtigen Wasserrades wurde schon vor mehreren hundert Jahren in so genannten „Schiffsmühlen“ ausgenutzt. Hier wurden Wasserräder auf Schiffen montiert, die wiederum an Standorten mit starker Strömung im Fluss verankert wurden. Schiffsmühlen hatten den großen Vorteil, sich dem schwankenden Wasserstand anzupassen und waren so weitgehend unabhängig gegenüber Hoch- und Niedrigwasser. Darüber hinaus sind Schiffsmühlen einfach zu konstruieren. Genutzt wurden sie bereits von den Römern. 

Der VECTOR Versuchsträger ist ca. 14 m lang und ca. 8 m breit. Nördlich vom Wissenschaftshafen Magdeburg wurde er 2012 verankert und steht Forschungsprojekten auf der Elbe zur Verfügung. Quelle: Presseinformation des Fraunhofer IFF vom 15.5.2012 „Flusskraft fürs Stromnetz“, © Dirk Mahler
Der VECTOR Versuchsträger ist ca. 14 m lang und ca. 8 m breit. Nördlich vom Wissenschaftshafen Magdeburg wurde er 2012 verankert und steht Forschungsprojekten auf der Elbe zur Verfügung. Quelle: Presseinformation des Fraunhofer IFF vom 15.5.2012 „Flusskraft fürs Stromnetz“, © Dirk Mahler

Das Prinzip der Schiffsmühlen wurde neu entdeckt und in verschiedenen Prototypen für Forschungsprojekte praktisch umgesetzt. So forscht das Fraunhofer IFF an Lösungen, um mit verankerten Booten elektrischen Strom aus einem Fluss zu erzeugen. Im Frühjahr 2012 wurde der VECTOR-Versuchsträger (vgl.: http://www.iff.fraunhofer.de/de/presse/presseinformation/2012/flusskraft-fuers-stromnetz.html, Zugriff am 02.01.2016) beim Wissenschaftshafen Magdeburg verankert. Das mit drei Partnern entwickelte Schiff dient der Erforschung des Potenzials kinetischer Energie aus Flussströmungen. Ein kleines Schweizer Unternehmen – Hoehenergie – hat ein ähnliches Projekt in Zusammenarbeit mit der Technikerschule HF Zürich entwickelt. Es basiert auf einer Diplomarbeit mit dem Arbeitstitel „Stromtöff 750W“, die von 2012 bis 2013 bearbeitet wurde. Das Schweizer Unternehmen hat auf das – noch nicht serienreife – „Generatorboot“ ein Patent angemeldet. Noch (Stand: 2015) ist das Generatorboot in der Entwicklungsphase, wobei insbesondere die Steigerung des Wirkungsgrades ein wichtiges Ziel darstellt.

Das „Generatorboot“ des schweizer Unternehmens ist eine sehr kleine und schnell in Betrieb zu nehmende Anlage. Als Zielgruppe sieht man die kurzfristige und temporäre Energieversorgung von Veranstaltungen in der unmittelbaren Nähe eines Flusses, Campingplätze und Baustellen sowie kleine flussnahe Gastronomiebetriebe und die Landwirtschaft

Klappschaufelwasserrad

Die Grundidee eines Generatorbootes ist allerdings nicht neu und wird durchaus auch in einem größeren Stil für realistisch gehalten. So sieht man im ZPVP – Zentrum für Produkt-, Verfahrens- und Prozessinnovation GmbH (vgl.: http://flussstrom.exfa.de/ , Zugriff: 02.01.2016), eine Experimentelle Fabrik in Magdeburg, eine Kaskade mehrerer Anlagen mit einer Gesamtleistung von 100 kW bei Strömungsgeschwindigkeiten von rund 2,5 m/s als realistisch an. Im Gegensatz zum kleinen Generatorboot handelt es sich bei der Magdeburger Entwicklung um schwimmende Klappschaufelwasserräder mit einer Breite von jeweils 5 m und einer Eintauchtiefe von einem Meter.

Die Besonderheit dieser Anlage ist eine spezielle Bauform des Wasserrades. Ein Klappschaufelwasserrad (Patent DE102011008131 A1, veröffentlicht am 14.7.2011, eingetragen am 5.1.2011, Erfinder: Hartmuth Drews) basiert auf einem tiefschlächtigen Wasserrad, jedoch mit beweglichen Schaufeln. Bei Betrachtung in Bewegungsrichtung klappt die Schaufel durch die Schwerkraft unmittelbar vor dem Eintauchen in das Wasser auf, wodurch es im Wasser in voller Breite und Höhe dessen kinetische Energie aufnehmen und in eine Drehbewegung umsetzen kann. Durch den Druck des strömenden Wassers bleibt die Schaufel stabil geöffnet. Nach der Überwindung des Tiefpunktes wird die Schaufel durch die nach oben fortgesetzte Drehbewegung „hängend“ aus dem Wasser gezogen und speichert in diesem Zustand kein Restwasser mehr, was mit seiner Gewichtskraft der Drehrichtung entgegen wirken würde. Durch diese schnelle Restentleerung werden dem Klappschaufelwasserrad größere Wirkungsgrade zugeschrieben als es bei einem starren Wasserrad möglich wäre.

Auf einen Schiffsträger montiert, eignet sich das Klappschaufelwasserrad für schwimmende Kraftwerke. Um die Energie des Flusses noch besser auszunutzen, werden mehrere solcher Boote zu einer Kaskade fest verbunden und gemeinsam im Fluss verankert. Ein Beispiel der ZPVP GmbH sieht eine Gesamtanlage von 14 m Breite und 40 m Länge vor. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 2,5 m/s kalkuliert das Unternehmen mit einer nutzbaren elektrischen Leistung von 100 kW. Ein großer Vorteil dieses Systems ist die vollkommene Durchgängigkeit des Gewässers. Sowohl die Fischgängigkeit ist in beiden Wanderrichtungen gegeben als auch der Sedimenttransport uneingeschränkt möglich. 

Horizontal-Wasserrad

Nur der Vollständigkeit wegen seien horizontale Wasserräder erwähnt, die in der elektrischen Energietechnik keine Rolle spielen. Aufgrund der erforderlichen Konstruktionen und Bauhöhen und der geringen Wirkungsgrade setzt man diesen Typus nicht mehr praktisch ein. Im – sehr weitgefassten – Prinzip stellen sie aber die Grundidee für verschiedene Freistrahlturbinen mit vertikaler Achse dar.

(rs/01-2016)