Wasserkraft ist eine erneuerbare Energiequelle; bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurde sie hauptsächlich zum Betrieb von Mühlen, Hammerwerken und Sägen verwendet, heute überwiegend zur Erzeugung von elektrischer Energie (2020 etwa 1/6 der gesamten Energieproduktion).
Erfunden und verwendet wurden mit Wasserkraft betriebene Maschinen schon 3000 v. Chr. v.a. für die Bewässerung von Feldern.
Im 4. Jahrhundert v. Chr. erfanden griechische Techniker das Wasserrad wie wir es heute kennen. Wie Vitruv in seiner „Architektura“ berichtet, wurden sie nach wie vor zum Antrieb von Schöpfrädern verwendet, aber auch schon für Mühlen. Ab dem 9. Jahrhundert wurde das unterschlächtige Wasserrad verwendet, einige Jahrhunderte später das oberschlächtige. Sie dienten dann zum Betrieb von Mahlmühlen, Ölmühlen, Walkmühlen, Sägemühlen, Hammerwerken, Papiermühlen und Schleifmühlen. Um 1800 gab es in Europa mehr als 500.000 solcher Anlagen. Sie hatten eine Leistung von 3-5kW.
Wasserkraft war noch vor der Dampfkraft die eigentliche Mutter der Industrialisierung, demensprechend zahlreich waren die Erfindungen zur Effizienzsteigerung der Wasserräder. Eine Weiterentwicklung bestand in der Erzeugung von Strom direkt vor Ort, mit dem dann die Maschinen, zB. ein Federhammer, betrieben wurden.
Im näheren Umkreis folgende Beispiele:
- In Aggsbach Dorf gab es im Laufe der Zeit drei Wassermühlen und mindestens eine Hammerschmiede
- Im Sarmingtal (nördlich der Donau im Raume Grein) gab es insgesamt 29 Mühlen, Sägen und Hammerschmieden auf einer Länge von etwa 20km bei einem Gefälle von gut 600m
- Im Pulkautal im Weinviertel gab es seinerzeit 22 Mühlen, Sägen und Hammerschmieden
Arten von Wasserrädern
Quelle und Abbildungen: WIKIPEDIA
Je nachdem in welcher Höhe das Wasser auf das Rad trifft (von oben – mittig – unten) unterscheidet man ober- mittel- unterschlächtige Wasserräder.
Das in unserem Raum gängige Wasserrad ist oberschlächtig, da viele Bäche mit größerem Gefälle vorliegen, die die Anlage eines Schwellteiches ermöglichen.
Die Leistung hängt naturgemäß von Wassermenge, Fallhöhe und Raddurchmesser ab; gut konstruierte oberschlächtige Wasserräder haben einen Wirkungsgrad bis zu 85%, unterschlächtige nur um die 20%; ein Wirkungsgrad, von dem man bei den Wärmekraftmaschinen nur träumen kann: Dieselmotor 40%, Ottomotor 30%, Dampflokomitive 15%.
Die Berechnung der Leistung von unterschlächtigen Wasserrädern findet sich HIER, von oberschlächtigen Wasserrädern HIER (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Malcherek, Professor für Hydromechanik, München)
(Zitat Anfang)
Oberschlächtige Wasserräder
haben einen sehr guten Wirkungsgrad und gehen mit dem zur Verfügung stehenden Wasser sparsam um. Sie werden deshalb bei geringem Wasserangebot und grossem Gefälle angewandt. Bei ihnen wird im Wesentlichen die Gewichtswirkung (potentielle Energie) des Wassers ausgenutzt (bei den unterschlächtigen die kinetische Energie des fließenden Wassers). In den Radschaufeln setzt sich die potentielle Energie des Wassers in mechanische Arbeit um. Deshalb gilt beim Absinken des Wassers das Gesetz der Arbeit:
Kraft . Weg, W= F . S.
Die Kraft F entspricht in diesem Fall dem Wassergewicht G, der Weg S ist die Gefällehöhe.
Daraus folgt: P = m * g * H
als die theoretisch erreichbare maximale Leistung des Wasserrades. Ein- und Austrittsverluste, Stossverluste, vorzeitiger Wasseraustrieb, Lager- und Luftreibung mindern diese Leistung jedoch nicht unerheblich. Die an der Waserradwelle tatsächlich verfügbare Nutzleistung errechnet sich somit:
P = m * g * H * η
wobei als Richtwert für den Wirkungsgrad bei oberschlächtigen Rädern gilt: 0,65 < η < 0,75
Steht zum Beispiel bei einer nutzbaren Gefällehöhe von 3 m eine Wassermenge von 200 l/s zur Verfügung und wird ein Wirkungsgrad von 0,75 angenommen, so ergibt sich nach vorgenannter Gleichung
P = 200 kg * 9,81 m/s2 * 3m * 0,75 = 4414,5 m2 kg/s3 = 4414,5 W
eine nutzbare Leistung an der Hammerwelle von ca 4,4 kW.
Zum Vergleich: Ein Schmied, der mit einem Vorschlaghammer von 6,5 kg arbeitet, leistet etwa 130 W (ein Wasserrad = 34 Schmiede). Dieser Leistungsgewinn aus der Wasserradtechnik führte zu deutlichen Qualitäts- und Quantitätssteigerungen, zumal diese Leistung «gleichmässiger» und «ausdauernder» zur Verfügung stand
(Zitat Ende)
Besondere Literaturempfehlung:
DI Klaus Dieter Knöppel: Freiformschmieden