Wasserwirbelkraftwerk

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Ein Wasserwirbelkraftwerk, auch Gravitationswasserwirbelkraftwerk (GWWK) genannt, ist ein Kleinwasserkraftwerk, das zur Erzeugung von Energie aus Wasserkraft ab einem Durchfluss von 50 Litern Wasser pro Sekunde bei kleinen Höhendifferenzen von 0,5 bis 3 Metern Gefälle[1][2] geeignet ist. Die Technik beruht auf einem (runden) Becken mit einem zentralen Abfluss. Über dem Abfluss bildet sich ein stabiler Wasserwirbel aus, der eine spezielle sich mit 16 bis 22 Umdrehungen pro Minute drehende Wasserturbine antreibt.[3]

Funktionsweise[Bearbeiten]

Schematische Darstellung eines Wasserwirbelkraftwerkes (die Turbine ist gelb dargestellt)

Ein symmetrischer Wasserwirbel bildet sich in einem rotationssymmetrischen Gefäß über einer Abflussöffnung in der Mitte des Gefäßbodens aus. Für die technische Nutzbarkeit wird ein stabiler und symmetrischer Wasserwirbel mit strömungsfreiem Wirbelzentrum angestrebt, der eine langsam rotierende Turbine antreibt.

Im Idealfall ergibt sich ein Potentialwirbel, dessen Tangentialgeschwindigkeit in Richtung des Wirbelzentrums stetig zunimmt. Voraussetzung für die Ausbildung einer stabilen senkrechten Drehachse ist die Schwerkraft. Der Wasserabfluss wird minimal, wenn der Durchmesser des Staubeckens wesentlich größer ist als der Durchmesser des Abflusses.

Ökologische Auswirkung[Bearbeiten]

Die Befürworter von Wasserwirbelkraftwerken behaupten, dass wegen der intensiven Wasserbelüftung durch den Gravitationswasserwirbel im Rotationsbecken eines Wasserwirbelkraftwerks ein idealer Lebensraum für Wasserpflanzen, Kleinlebewesen und Fische geschaffen wird. So werden die Wände des runden Staubeckens nach kurzer Zeit dicht mit Quellmoosen bewachsen, zwischen denen sich zahlreiche Bachflohkrebse und Köcherfliegenlarven einnisten.[4][5]

Kritiker wie der WWF[6] und andere[7] weisen darauf hin, dass auch Wasserwirbelkraftwerke eine Barriere sind, welche einer Revitalisierung von Fließgewässern entgegenstehen, und dass die Durchgängigkeit für langsam schwimmende Fischarten nicht bewiesen ist. Zotlöterer geht von einer Fischdurchgängigkeit, die auch eine offizielle Studie/Gutachten bestätigt, aus. Hierzu wurde eine Reuse einige Meter flussaufwärts vor dem Rotationsbecken im Zuflusskanal eingesetzt. Fische welche die Zotlöterer-Turbine stromaufwärts durchwanderten wurden dadurch abgefangen, darunter Arten wie Koppe, Forelle, Aitel und Huchen. Dass das Wasserwirbelkraftwerk für zahlreiche Fischarten ökologisch durchgängig ist, wurde inzwischen auch von einer unabhängigen Untersuchung durch die Universität für Bodenkultur Wien bestätigt.[8]

Die Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke hat an ihrem Pilot- und Testkraftwerk "Dr. Bertrand Piccard" seit längerem unabhängige Untersuchungen zu diesem Thema laufen, welche ständig erweitert werden und sehr positive Zwischen-Resultate enthalten.[9]

Unabhängig von nachgewiesener Fischdurchlässigkeit ist das Wasserwirbelkraftwerk kein großer Eingriff in ein Fließgewässer. Es werden meist niedrige, schon bestehende Querbauwerke, sogenannte Sohlstufen, benützt, womit meterhohe Aufschüttungen an den Ufern entfallen. Bei Turbinen mit geringer Schaufelanzahl bleibt der Wirkungsgrad mit 31 bis 48,5% gering, wie dies Franz Mühle vor Jahren an der Technischen Universität München feststellen konnte. [10] Jedoch sind grundsätzlich bei geringer Fallhöhe nur niedrige bis mittlere Gesamtwirkungsgrade (von etwa 25 bis 65%) zu erreichen; höhere Werte liefern nur optimierte Wasserwirbelkraftanlagen.

Anwendung[Bearbeiten]

Gravitationswasserwirbelkraftwerk mit Zotlöterer-Turbine bei Ober-Grafendorf

Das Konzept zur Energiegewinnung aus einem Wasserwirbel, der sich über dem Abfluss eines Wasserreservoirs ausbildet, wird in verschiedenen Vorrichtungen genutzt. So beruht eine 1968 vom US-Amerikaner Kenard D. Brown (1968 / US-Patent 3.372.905) und 1996 vom Australier Paul Kouris patentierte Vorrichtung auf der Erzeugung von Energie aus einem solchen Wasserwirbel bei großer Fallhöhe und mit Hilfe eines langen Saugrohrs.[11]

Der österreichische Techniker Franz Zotlöterer realisierte ein Gravitationswasserwirbelkraftwerk mit einem patentierten, leicht spiralförmigen Rotationsbecken (2003 / Österreichisches Patent AT412363B. und Patent AT413579B. sowie 2007 / Schweizer Patent CH699133.) und der patentierten Zotlöterer-Turbine (PCT Patent WO2011051421.), das bei geringen Fallhöhen ab 70 cm und Wassermengen ab 50 l/s[12] als Laufwasserkraftwerk angewendet werden kann.

Dabei werden relativ langsam rotierende Turbinen genutzt (ca. 20 Umdrehungen pro Minute), die für kleines Treibgut , Geschiebe und Fische durchgängig sind. In Zusammenarbeit mit der Hochschule für Technik der FH Nordwestschweiz wurde versucht, den Rotor weiter zu optimieren, um mehr Energie aus dem Wirbel zu ernten. Diese Turbine, welche auch die vertikalen Strömungen nutzen soll, hat aber nur einen Wirkungsgrad von 50 %,[13][14] weil damit der Gravitationswasserwirbel in seiner Entfaltungsmöglichkeit eingeschränkt wird und das für die Turbine anstehende Drehmoment abnimmt.

In der weltweit ersten Pilotanlage, die 2005 mit einem Beckendurchmesser von 5,5 m, einer Fallhöhe von 1,5 m und einer Durchflussmenge von 0,9 m³/s im österreichischen Ober-Grafendorf von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Firma Zotlöterer errichtet wurde, werden mit der Zotlöterer-Turbine bei einem maximalen Turbinenwirkungsgrad von 80 % 10 kW elektrische Leistung und 60.000 kWh/a (im Abrechnungsjahr 2013 waren es exakt 63.265 kWh Ökostrom – Rechnungsnummer 0000680688 der OeMAG – offizieller österreichischer Ökostromabnehmer www.oem-ag.at) erzielt. Die Rotationsfrequenz der Turbine beträgt 33 min-1 (0,55 Hz). Weitere Anlagen bestehen seit 2009 in der Schweiz (an der Suhre in Schöftland);[15][16] elektrische Leistung bis 10 kW, Jahresproduktion bis zu 35.000 kWh/a bzw. Strombedarf von etwa neun Haushalten.[17] Trotzdem sind weitere geplant oder werden abgeklärt.[18][19][20] Seit 2011 besteht in Österreich in Kärnten am Wimitzbach mit 2 × 3,5 kW und 27.000 kWh/a und seit Ende 2011 in Deutschland in Winterberg/Sauerland mit 1 × 3,8 kW in Betrieb. Allerdings zeigten sich in Winterberg typische aber geringe Lärmemissionen (60 dB) des Getriebes. Eine 2007 in Indonesien errichtete Anlage ist aus behördlichen Gründen noch nicht in Betrieb.[21]

Bei größeren Fallhöhen und Durchflussmengen kann deutlich mehr Strom gewonnen werden (2,5 m, 10 m³/s: 150 kW).[22] Für Leistungen größer als ca. 150 kW sind Wasserwirbelkraftwerke unwirtschaftlich, weil sie ein kleineres Regelarbeitsvermögen (d. h. einen niedrigeren Gesamtwirkungsgrad) als konventionelle Kleinwasserkraftwerke haben.[23]

Probleme[Bearbeiten]

Leider zeigen alle bekannten wissenschaftlichen Untersuchungen Wirkungsgrade unter 50% und auch die unabhängig vom Hersteller Zotlöterer erschienenen populärwissenschaftlichen Artikel zeigen deutlich die Probleme dieser Technologie. Beispielsweise wird die seit 2009 im Schweizer Schöftland (s.o.) bestehende Anlage im Artikel von Matthias Daum in der Zeitschrift "DIE ZEIT" näher beleuchtet. Im Artikel zeigen sich sogar die Betreiber der Anlage, Heidi Zumstein und Andreas Steinmann anfangs enttäuscht vom Wirkungsgrad ihrer Anlage. "Er betrug nur 30 statt der versprochenen 60 Prozent. Zwei Drittel der Energie, die im Wasser steckt, gingen wortwörtlich den Bach runter. Heute, einige technische Nachbesserungen später, liegt der Wirkungsgrad bei 42 Prozent. Ein neuer Rotor soll bald die Hälfte der Wasserenergie in Strom umwandeln helfen."[24] Wissenschaftliche Versuche und resultierende Artikel wie die Untersuchungen von Franz Mühle, Christoph Rapp und Oliver Mayer zeigen ebenfalls Wirkungsgrade zwischen 31 und 48,5% (s.o.)

Auszeichnungen[Bearbeiten]

  • 2007: Energy Globe Award Kärnten
  • 2010: Energy Globe Award Niederösterreich 2010 und Austria 2010 (Sonderkategorie Erfinder)[25]
  • 2011: Watt d'Or 2011 in der Kategorie Erneuerbare Energien für die Flussrenaturierung mit Wasserwirbelkraftwerk in Schöftland, verliehen vom Schweizer Bundesamt für Energie[26][27]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Franz Mühle, Christoph Rapp, Oliver Mayer: Experimentelle Untersuchungen an einem Wasserwirbel-Kraftwerk. In: Wasserwirtschaft. 103(7-8), Springer Vieweg, 2013, S. 41–46.
  • F. Mühle: Experimental model water vortex power plant. Master´s thesis. Technische Universität München, München 2012.
  • C. Cerri, S. Gafner: Wasserwirbelkraftwerk. Fachbericht zur Bachelor Thesis. Fachhochschule Nordschweiz, 2010.
  • Franz Zotlöterer: (unbekannter Titel) In: Stephan Heimerl (Hrsg.): Neuntes Internationales Anwenderforum Kleinwasserkraftwerke. Ostbayerisches Technologie-Transfer-Inst., Regensburg 2006, ISBN 3-934681-47-6, S. 108–112.
  • Franz Zotlöterer: Steigerung der Wassergüte durch ein neuartiges Wasserkraftwerk. (PDF; 76 kB), 5. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien, 2007.
  • Franz Zotlöterer: Wasser Energie Luft. (Titel des Sammelwerkes). In: Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband (Hrsg.): Wasser Energie Luft. 4/2007, Baden 2007, ISSN 0377-905x.
  • Franz Zotlöterer: Das Gravitationswasserwirbelkraftwerk. In: Zement und Beton. Ausgabe 3_11, S. 36–39.
  • Ben Schwan: Wir könnten ein Atomkraftwerk ersetzen. 26. Juli 2010, Technology Review (Online)
  • Franz Zotlöterer: Funktion und Potenzial von Gravitations wasserwirbelkraftwerken. (PDF; 733 kB) In: Bulletin-electrosuisse. Fachzeitschrift für elektrische Energiegewinnung 2_12, S. 29–32.
  • Franz Zotlöterer: zek-hydro - Fachzeitschrift für Hydroenergy. - Ausgabe 5_12, S. 62–65.
  • Franz Zotlöterer: Gravitations-Wasser-Wirbelkraftanlagen. In: Wasserkraft & Energie. Ausgabe 3/2013, S. 2–11.

Weblinks[Bearbeiten]

  • zeit.de Artikel über Betreiberprobleme in der schweizer Anlage
  • zotloeterer.com Patentinhaber und Erfinder des Gravitationswasserwirbelkraftwerks
    • [1] Video zum weltweit ersten Gravitationswasserwirbelkraftwerk - made in AUSTRIA
    • Video zum Bewuchs des Rotationsstaubeckens mit Quellmoosen
  • vorteco.com Vorteco: modulare standardisierte Vortex Power Plants
  • wasserwirbelkraftwerk.ch Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz
  • gwwk.ch Videos, Fotos und Dokumente Wasserwirbelkraftwerk
  • gwwk.ch Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz
    • Video zur Vorstellung der Technik anhand der Pilotanlage und zu den potentiellen Einsatzgebieten
  • wasserwirbel-kraftwerk.de Dokumentationsseite einer Installation im deutschen Winterberg
  • Wasserwirbeltechnik
  • fishfriendlyweir.com, Fischwanderhilfe und Klein-wasserkraftwerk mit Pilotanlage in Bühlau im Fluss Wesenitz
Medienberichte (Auswahl)

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Wasserwirbelkraftwerk Die Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz baut nur an bereits verbaute und mit Staustufen durchsetzte Flüsse und Renaturiert/Revitalisiert gleichzeitig den entsprechenden Flussabschnitt
  2. Einsatzbereiche, zotloeterer.com
  3. Technologie. Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke, abgerufen am 4. Juni 2012.
  4. Franz Zotlöterer: Ökologie. Zotlöterer, abgerufen am 4. Juni 2012 (deutsch).
  5. Franz Zotlöterer: Wasserkraftwerk als Bioreaktor. In: Youtube-Video. Zotlöterer, abgerufen am 4. Juni 2012 (deutsch).
  6. WWF-Informationsblatt Wasserwirbelkraftwerke (PDF; 2,4 MB)
  7. Biologe Arthur Kirchhofer im Bieler Tagblatt vom 14. November 2011 (PDF; 342 kB)
  8. Franz Zotlöterer: und http://www.zotloeterer.com/willkommen/gravitations-wasser-wirbelkrafta675609e8edebeda51e35be64397c25db/fischmonitoring.php Ökologie. Zotlöterer, abgerufen am 4. Juni 2012 (deutsch).
  9. Diese Dokumente können über http://www.gwwk.ch/ angefordert oder teilweise direkt heruntergeladen werden.
  10. Franz Mühle, Christoph Rapp, Oliver Mayer: Experimentelle Untersuchungen an einem Wasserwirbel-Kraftwerk. Springer Vieweg (2013), abgerufen am 30. September 2013 (deutsch).
  11. Patent US6114773: Hydraulic Turbine Assembly. Angemeldet am 25. Januar 1996, veröffentlicht am 5. September 2000, Anmelder: Paul S. Kouris, Erfinder: Paul S. Kouris.
  12. Technologie, gwwk.ch
  13. Superturbine für Klein-Wasserkraftwerke, Einstein (SF-Wissensmagazin) vom 23. Juni 2011.
  14. Thesis zum Thema "Wasserwirbelkraftwerk" an der Hochschule für Technik der FH Nordwestschweiz im Herbst 2010.
  15. http://www.hk-gebaeudetechnik.ch/fileadmin/hk-gebaeudetechnik.ch/documents/Bilder/091124_kraftwerk_suhre.pdf (abgerufen am: 4. Juni 2012).
  16. http://www.gwwk.ch/aa_httpdocs_2/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=9&Itemid=20&lang=de (abgerufen am: 4. Juni 2012).
  17. Projekte und Anlagen, gwwk.ch
  18. http://www.aargauerzeitung.ch/basel/basel-stadt/in-riehen-soll-ein-wirbelkraftwerk-entstehen-113727799 (abgerufen am: 4. Juni 2012).
  19. http://www.tagesanzeiger.ch/zuerich/oberland/Strom-aus-Wasserwirbeln-in-der-Glatt-/story/23885091 (abgerufen am: 4. Juni 2012).
  20. http://www.gr.be.ch/gr/de/index/geschaefte/geschaefte/suche/geschaeft.gid-9e9456ea6e0e4dd6be2894d823b1eb33.html (abgerufen am: 4. Juni 2012).
  21. Referenzanlagen, zotloeterer.com
  22. watervortex.net: Leistungsdaten
  23. Franz Zotlöterer: Das Gravitationswasserwirbelkraftwerk (PDF; 612 kB)
  24. zeit.de
  25. energyglobe.com: Preisträger 2010
  26. Gewinner des Watt d'Or 2011, BFE am 6. Januar 2011.
  27. Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz