Wasserkraftschnecke

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Aufbau einer Wasserkraftschnecke, Ausschnitt der Informationstafel an der Stadtbachstufe in München
Das Prinzip einer Wasserkraftschnecke: Das Wasser (hier der rote Ball) versetzt die Schnecke beim Abwärtsfließen (hier Rollen) in Drehung.
Video einer Wasserkraftschnecke an der Schwarzen Lacke, München

Eine Wasserkraftschnecke ist eine Wasserkraftmaschine, d. h. eine technische Anlage zur Energieumwandlung von Wasserkraft in elektrischen Strom.

Prinzipiell kann man eine Wasserkraftschnecke als energetische Umkehr der Archimedischen Schraube bezeichnen. Dabei können Wasserläufe (Wassermenge je Schnecke bis zehn Kubikmeter pro Sekunde), die einen geringen Höhenunterschied zu überwinden haben (bis etwa zehn Meter), zur Energiegewinnung genutzt werden. Die größten gebauten Anlagen bewegen sich bei acht Kubikmeter pro Sekunde und sechs Meter Fallhöhe. Die Schnecke, die mit einer riesigen Schraube vergleichbar ist, wird schräg, in Wasserfließrichtung nach unten gerichtet, an einem Wehr eingebracht. Das Wasser versetzt dann, während es sich in einer Kammer zwischen den Gewindegängen hinunterbewegt, die Schnecke in eine Drehbewegung. Um die Reibungs- und Impulsverluste bei der Energieumwandlung gering zu halten, dreht sich die Schnecke verhältnismäßig langsam (20 bis 60 Umdrehungen pro Minute). Nach der Übersetzung durch ein Getriebe wird mit höherer Drehzahl ein elektrischer Generator angetrieben.

Bei Messungen von Lashofer et al. (2011) an 14 bestehenden Anlagen in Deutschland, Österreich und Südtirol wurden Anlagenwirkungsgrade von über 75 % gemessen. Der Durchschnitt aller Anlagen bei unterschiedlichen Beaufschlagungen lag bei 69 %. Der Anlagenwirkungsgrad beinhaltet das Produkt der Wirkungsgrade von Schnecke, Lagerung, Getriebe, Generator- sowie den Eigenverbrauch. Er beschreibt also wie viel von der Energie des Wassers in lieferbaren Strom umgesetzt wird.
In Labormessungen an der Universität für Bodenkultur (BOKU) wurden von Lashofer et. al (2013) Schneckenwirkungsgrade (incl. Lagerung) ermittelt. Im Teillastbereich wurden Wirkungsgrade deutlich über 90 % erreicht (bei etwa 40 % der Nennbeaufschlagung). Übliche Wirkungsgrade bewegten sich zwischen 75 und 85 %.

Vorteile[Bearbeiten]

Der Vorteil von Wasserkraftschnecken liegt in guter Verträglichkeit von Wassermengenschwankungen (ab 0,1 Kubikmeter pro Sekunde), Treibgutverträglichkeit und fischschonender Wasserförderung. Im Gegensatz zu Turbinen bei Laufwasserkraftwerken reicht ein geringer Höhenunterschied der beiden Wasserstände aus. Auch sind die Tiefbauarbeiten weniger aufwendig und damit kostengünstiger. Es sind keine Feinrechenanlagen nötig. Im Vergleich zum Wasserrad kann ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden. Lashofer et al. konnten (2013) im Wasserbaulabor der BOKU Wien Wirkungsgrade bis über 90 % messen. Je nach Neigung, Gangzahl und Durchmesserverhältnis sowie Beaufschlagung kann von einem mittleren Turbinenwirkungsgraden zwischen 80 und 90 % ausgegangen werden.

Nachteile[Bearbeiten]

Im Vergleich zur Schneckenpumpe führt die Umkehrung der Fließrichtung des Wassers zu einigen zunächst überraschenden Effekten. Am auffälligsten ist die schlagende Geräuschentwicklung. Sie entsteht, wenn im oberen Zufluss eine Schaufel einen Einströmkanal freigibt. Das Wasser beschleunigt und schießt auf der gegenüberliegenden Seite heraus. Dies geschieht immer an der gleichen Stelle und wurde von Kantert im „Praxishandbuch Schneckenpumpe“ als „Schusspunkt“ (engl. „shotpoint“) bezeichnet. Die Belastung ist derart hoch, dass bei älteren Wasserkraftschnecken mechanische Beschädigungen und Korrosion bereits nach etwa zwei Jahren auftraten. Hinzu kommt, dass ähnlich wie bei einer Staudruckschnecke das Wasser im Abströmbereich hinter jeder Schaufel zurückfällt. Auch das beschleunigte Ablaufen aus dem letzten Schneckengang verursacht rhythmische Geräusche.

Es gibt verschiedene Ansätze, die Lärmemissionen einzudämmen. Modifikationen der Schaufelenden, eine größere Gangzahl (verbessert auch den Wirkungsgrad), nur noch einseitige Befestigung des unteren Lagers etc. Viele Modifikationen brachten kaum eine Besserung. Beispielsweise wurde an einer Wasserkraftschnecke im Stadtgebiet von München der Durchmesser der Auslaufschaufeln verkleinert. Am wirkungsvollsten ist allerdings die vollständige Einhausung, die sich vor allem in der Nähe von Wohngebieten kaum vermeiden lässt und die Investitionskosten erheblich erhöht. So war es auch in der zuvor genannten Anlage in München.

Verbreitung[Bearbeiten]

Schon im Jahre 1819 äußerte der französische Ingenieur Claude Louis Marie Henri Navier den Gedanken, die Schnecke auch als eine Art Wasserrad zu betreiben. Vermutlich hat er beobachtet, was passiert, wenn man eine mit Wasser gefüllte Schneckenpumpe loslässt. Die auftretenden Kräfte können eine konventionelle Schneckenpumpe zerstören, weshalb sie üblicherweise auch mit Rücklaufsperren (Wasserkraftschnecken mit Bremse) ausgerüstet werden. Die erste Wasserkraftschnecke wurde von einem tschechischen Hersteller gefertigt, 1995 bis 1997 an der TU Prag von Prof. Dr. Brada getestet und danach vom Förderverein Wind- und Wasserkraft Ostalb e. V. eingesetzt.[1] Sie läuft seit 1997 in der Oberen Schlägweidmühle an der Eger in Bopfingen-Aufhausen mit 4 kW Generatorleistung. Besonderheit ist die Möglichkeit, den Aufstellwinkel verändern zu können.

Im Jahr 2001 wurden die ersten beiden kommerziellen Anlagen in Betrieb genommen. Die Rödermühle mit 7,5 kW an der Fränkischen Saale in Diebach bei Hammelburg und eine Anlage mit 18,5 kW an der Nethe in Höxter-Godelheim.

Mit Mitte 2013 kann weltweit von mehr als 250 Anlagen in Betrieb ausgegangen werden und von etwa derselben Zahl in Vorbereitung. Da sich die Technologie bewährt hat werden nunmehr hauptsächlich sehr große Anlagen gebaut und viele bewegen sich im Bereich von 140 bis über 200 kW.

Wasserkraftschnecke in Kiefersfelden

Eine der größten Wasserkraftschnecken steht im österreichischen Kindberg.[2]

Weitere Wasserkraftschnecken stehen:

Auch die 2006 errichtete Stadtbachstufe in München arbeitet nach dem Prinzip der Wasserkraftschnecke. Seit 2012 deckt eine Wasserkraftschnecke am Fluss Diemel den Strombedarf einer Brauerei in Warburg.[6][7]

Fischverträglichkeit[Bearbeiten]

Es gibt bereits einige unabhängige Gutachten und Berichte zur Fischverträglichkeit (Schmalz, 2010 und 2011) die von einer hohen Verträglichkeit sprechen. Einzelne Fischarten bzw. auch Altersstufen können jedoch durch schlechte Wartung bzw. ungenügende Fertigung beeinträchtigt werden. Im münsterländischen Krechting (Rhede) wird von den örtlichen Stadtwerken eine Wasserkraftschnecke betrieben, an der die Auswirkungen der Wasserkraftschnecken auf die Fischfauna sowie mögliche Optimierungen zur Verbesserung der Fischschonung durch Schneckenkraftwerke untersucht werden. [8]

Geschichte[Bearbeiten]

Ursprünglich von Archimedes als Schneckenpumpe zur Wasserhebung beschrieben, wurde sie in der Neuzeit wieder in der Polderentwässerung eingesetzt. In Kombination mit einer Windmühle hob die Schneckenpumpe Wasser über die Deiche.

Die vielleicht älteste Beschreibung einer Wasserkraftschnecke in der Patentliteratur stammt von William Moerscher.[9]

Im Jahr 1991 meldete der Wasserhebeschnecken-Ingenieur Karl-August Radlik die Erfindung der Wasserkraftschnecke zum Patent an[10]. Dieses wurde 1992 gewährt und 2001 an einen deutschen Hersteller von Schneckenpumpen verkauft. Ein Patentstreit mit einem Wettbewerber konnte allerdings nicht gewonnen werden.

Vergleich zu anderen Wasserkraftmaschinen[Bearbeiten]

Einsatzbereiche von Wasserkraftmaschinen im Bereich der Klein- und Kleinstwasserkraft[11]

Zur Erzeugung von elektrische Energie haben sich eine Vielzahl an Wasserkraftmaschinen entwickelt. Wasserkraftschnecken zeigen Ihre Stärken im kleinen bis mittleren Durchflussbereich sowie kleinen Fallhöhen und weisen ein gutes Teillastverhalten auf. Die baulichen und technischen Größenbegrenzungen von Wasserkraftschnecken (Fallhöhe max ~10 m, Durchfluss max. ~15 m³/s) geben den Einsatz im Bereich der Klein- und Kleinstwasserkraft vor, wie im Diagramm rechts dargestellt[11].

Vergleichende Tabelle [12]:

. Durchströmturbine Wasserrad Wasserkraftschnecke Kreiselpumpe Francis Kaplan Pelton
Durchflussmenge klein bis mittel klein bis mittel klein bis mittel klein bis mittel mittel groß klein bis mittel
Fallhöhe klein bis mittel klein klein bis mittel groß bis mittel mittel klein bis mittel groß
Teillastverhalten gut gut gut bis mittel schlecht schlecht bis mittel gut bis mittel gut

Folgende primäre Rahmenbedingungen sind bei der Auswahl einer Wasserkraftmaschine relevant:

  • Durchflussmenge
  • Fallhöhe
  • Wirkungsgradverlauf zu Wassermenge (Teillastverhalten / Parallelschaltung)
  • Eventuell eine notwendige kavitationsbedingte Eintiefung
  • Erzielbare elektrische Jahresleistung
  • Erzielbarer monetärer Ertrag und anfallende Kosten (Betrieb/Instandhaltung) je Jahr
  • Investitionskosten

Literatur[Bearbeiten]

  • Lashofer, A; Kaltenberger, F; Pelikan, B; (2011): Wie gut bewährt sich die Wasserkraftschnecke in der Praxis? In: Wasserwirtschaft. 101(7-8), S 76-81
  • P. J. Kantert: Praxishandbuch Schneckenpumpe. Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5
  • Nuernbergk, D. und Rorres, C.: An Analytical Model for the Water Inflow of an Archimedes Screw Used in Hydropower Generation. In: Journal of Hydraulic Engineering. Published: 23 July 2012
  • Dirk M. Nuernbergk: Wasserkraftschnecken - Berechnung und optimaler Entwurf von archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine.' Verlag Moritz Schäfer, Detmold, 1. Aufl. 2012, 272 S., ISBN 978-3-87696-136-1
  • Lashofer, A; Hawle, W; Pelikan, B; (2013): Betriebsbereiche und Wirkungsgrade der Wasserkraftschnecke. In: Wasserwirtschaft. 103(7-8), S 29-34
  • Nuernbergk, D; Lashofer, A; Hawle, W; Pelikan, B; (2013): Betriebsarten von Wasserkraftschnecken. In: Wasserwirtschaft. 103(7-8), S. 35-40
  • Schmalz, W; (2010): Untersuchungen zum Fischabstieg und Kontrolle möglicher Fischschäden durch die Wasserkraftschnecke an der Wasserkraftanlage Walkmühle an der Werra in Meiningen – Abschlussbericht. Breitenbach
  • Schmalz, W; (2011): Fischabstieg durch eine Wasserkraftschnecke an einem Ausleitungskraftwerk. In: Wasserwirtschaft.' 101(7-8), S. 82-87
  • Brada, K.: Wasserkraftschnecke ermöglicht Stromerzeugung über Kleinkraftwerke. In: Maschinenmarkt. 14. 1999, S. 52-56
  • Nagel, G; Radlik, K: Wasserförderschnecken – Planung, Bau und Betrieb von Wasserhebeanlagen. Udo Pfriemer Buchverlag in der Bauverlag GmbH, Wiesbaden, Berlin 1988

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Förderverein Wind- und Wasserkraft Ostalb e. V. Beschreibung dieser Wasserkraftschnecke
  2. Weltweit größte Wasserkraftschnecke errichtet, oekonews.at.
  3. Quelle: BEA Electrics
  4. http://www.energieagentur.nrw.de/wasserkraft/offizielle-einweihung-der-wasserkraftschnecke-in-bocholt-24745.asp
  5. http://www.energieagentur.nrw.de/wasserkraft/neue-wasserkraftschnecke-21244.asp
  6. Deutschland today Kraftakt für die Wasserkraft, 26. Juni 2012.
  7. nw-news.de: Wasserkraft-Schnecke besteht Testlauf, 23. Juli 2012.
  8. LFV-Westfalen: Untersuchungen zur Abwanderung und Schädigung von Fischen an der Wasserkraftschnecke Rhede-Krechting
  9. Patent US1434138: Angemeldet am 24. November 1916, veröffentlicht am 31. Oktober 1922, Anmelder: William Moerscher, Erfinder: William Moerscher (http://www.google.com/patents/US1434138).
  10. Patent DE4139134: Hydrodynamic screw for energy conversion - uses changes in water supply to regulate energy output. Angemeldet am 28. November 1991, veröffentlicht am 4. Dezember 1997, Anmelder: Karl-August Radlik, Erfinder: Karl-August Radlik.
  11. a b Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen der TU Graz
  12. Interner Bericht Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen der TU Graz

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Wasserkraftschnecken – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien