Wasserkraftschnecke

Bei der Wasserkraftschnecke handelt es sich um die reverse Nutzung eines ursprünglichen Hebe-“Pumpen“-Systems. Das Grundprinzip ist die Archimedische Schraube. Archimedes, ein griechischer Mathematiker, lebte im dritten Jahrhundert v. Chr. Man schreibt ihm die Erfindung der schraubenförmigen Förderanlage zu. Die gebogene „Schraube“ bildet in ihren Schraubengängen kleine „Becken“, die bei der Drehbewegung scheinbar in die Höhe wandern. Darin eingeschlossenes Wasser kann nicht entweichen und wird ebenso in die Höhe transportiert. Erst am Ende der Schraube öffnet sich dieses „Becken“ und das eingeschlossene Wasser wird nach Überwindung des Höhenunterschiedes freigegeben.

Die Archimedische Schraube findet noch heute vielseitige Anwendung als „Pumpe“, beispielsweise in Abwassersystemen und in der Landwirtschaft. Sie ist aber auch sehr gut im reversen Betrieb zur Erzeugung elektrischer Energie aus der potenziellen Energie des Wassers geeignet.

Das Oberwasser füllt den ersten Schraubengang der Wasserkraftschnecke. Die Gewichtskraft der Wassermasse wirkt in Richtung Erdmittelpunkt und übt damit eine Kraft auf die Schraube aus, die eine Drehbewegung erzeugt. Wie auch beim zuvor beschriebenen Pumpenbetrieb wird die Wassermasse in das durch den Schraubengang entstehende „Becken“ eingeschlossen und bewegt sich – getrieben von der Schwerkraft – scheinbar abwärts in Richtung des Unterwassers, wo sie am Ende der Spirale freigesetzt wird. Durch die Drehung werden weitere Räume für einströmendes Wasser frei, wodurch ein kontinuierlicher Durchfluss entsteht.

Giesecke et. al. beschreiben die Wasserkraftschnecke als „biegesteife Hohlwelle mit bis zu drei aufgeschweißten spiralförmigen Schneckenflügeln“. Die Autoren sehen ein mögliches Schluckvermögen zwischen 0,05 m3/s und 5 m3/s (Quelle: 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 612). Hersteller moderner Anlagen gehen noch weiter und nennen heute (Stand: Dezember 2014) Schluckvermögen von bis zu 15 m3/s (Quelle: Hersteller-Prospekt der Aqua Helia GmbH im Rahmen der Fachmesse RENEXPO® Hydro in Salzburg, November 2014). Nach Giesecke liegt der ideale Neigungswinkel einer Wasserkraftschnecke zwischen 20° und 35°. Abhängig von der Länge der Anlage nennen Hersteller (Quelle: Hersteller-Prospekt der REHART POWER GmbH, Auslage auf dem Messestand der RENEXPO® Hydro, November 2014, Salzburg) direkte Fallhöhen zwischen 1m und 10m.

Zu den Nachteilen der Wasserkraftschnecke gehören die sperrigen Abmessungen. Dies ist insbesondere bei naturnahen Montageorten zu berücksichtigen, weil der Transport der Anlagenteile großes Gerät erforderlich macht. Auch die geringen Drehzahlen von 20 min-1 bis 80 min-1 müssen berücksichtigt werden und machen Übersetzungen für den Antrieb des Generators erforderlich.

Dem gegenüber stehen neben Wirkungsgraden zwischen 70% und 85% auch – je nach Ausführung – sehr breite Leistungsbereiche zwischen 1 kW und bis zu 140 kW (Daten nach vorliegenden Herstellerprospekten, in der Literatur sind sogar Anlagenleistungen von bis zu 300 kW beschrieben worden). Von Transport und Montage an schwer zugänglichen Standorten abgesehen, zeichnen sich Wasserkraftschnecken vor allem durch den geringen baulichen Aufwand und durch ebenso geringe Eingriffe in die natürlich gewachsenen Strukturen des Gewässers aus. Sie sind robust und erfordern keinen Feinrechen, da kleineres Schwemmgut einfach durch die Schnecke durchgespült wird, ohne deren Betrieb zu beeinträchtigen. Insgesamt ist eine Wasserkraftschnecke eine ausgesprochen wartungsarme Lösung.

Berücksichtigt man die Vorgaben der Wasserrahmen-Richtlinie der EU, so bietet die Wasserkraftschnecke auch hier bereits Vorteile, denn sie ist fischgängig. Durch geeignete Konstruktionsformen (z.B.: Auslaufellipse) werden Auslaufdruckschwankungen vermieden, die für einen Fisch gefährlich werden könnten. Grundsätzlich können die bekannten Fischarten die Wasserkraftschnecke in Strömungsrichtung vom Ober- zum Unterwasser gefahrlos passieren.

Mithilfe der „archimedischen Schraube“ lassen sich zudem auch Fischaufstiege realisieren. Hier verwendet man entweder eine parallele Anlage oder um eine in die Hohlachse der Wasserkraftschnecke integrierte kleine archimedische Schraube. Die Drehrichtung ist so ausgelegt, dass sie Wasser von unten nach oben transportiert. In beiden Fällen werden die Schraubenflügel fest mit dem Gehäuse verschweißt, so dass Quetschungen und damit Gefährdungen für den Fisch ausgeschlossen werden.

Da die Wassermenge der Fischaufstiegshilfe im Vergleich zur antreibenden Wassermenge für die Turbine sehr gering ist, ist der negative Einfluss auf den Wirkungsgrad der Gesamtanlage gering. Weil Anlagen dieser Bauart die Fischwanderung in beiden Richtungen ermöglichen, wird der aufwändige und kostenintensive Bau einer Fischaufstiegsanlage überflüssig, was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt und über viele Jahre hinweg Ertragsverluste infolge des reduzierten Wirkungsgrades kompensiert.

(rs/01-2016)