Wasserrad und Turbine
Die Wasserkraft wird schon seit Jahrtausenden genutzt, um die Bewegungs- bzw. Lageenergie des Wassers in mechanische Arbeit umzusetzen. Beim Wasserkraftwerk tritt jedoch an die Stelle des offen drehenden Wasserrads die geschlossene Turbine, die Wirkungsgrade um 90 % erreicht. Die mechanische Arbeit der Turbine wird in den meisten Fällen auch nicht mehr unmittelbar, z.B. zum Antrieb eines Mühlsteins, genutzt, sondern über einen angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Fallhöhe und Durchfluss
Die Leistung einer Turbine errechnet sich aus dem Produkt der Erdbeschleunigung (9,81 m/sec²) mit der Fallhöhe des Wassers (in m), dem Durchfluss durch die Turbine (in m³/sec) und dem Wirkungsgrad.
Wie aus dieser Formel hervorgeht, vermag eine größere Fallhöhe einen geringeren Wasserdurchfluss zu kompensieren und umgekehrt. Konkret: Die vergleichsweise geringe Wassermenge eines Gebirgsbachs mit Fallhöhen von hunderten von Metern vermag unter Umständen mehr Strom I zu erzeugen als die große Wassermenge eines Flusses, die lediglich den Niveauunterschied eines Stauwehrs überwindet.
Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Turbine den unterschiedlichen Fallhöhen und Wasserdurchflussmengen angepasst sein. Zum Beispiel benötigt ein Kraftwerk im Erzgebirge eine andere Turbine als ein Laufwasser-Kraftwerk an der Vereinigten Mulde.
Die größte Verbreitung hat die Francis-Turbine, deren Einsatzbereich sich nach oben mit dem der Pelton-Turbine und nach unten mit dem der Kaplan-Turbinen überschneidet. Welche Turbine im konkreten Fall gewählt wird, hängt nicht nur von der nutzbaren Fallhöhe des Wassers ab, sondern auch vom Wasserdurchfluss und anderen Faktoren.
Arten von Wasserrädern
Die Vorläufer unserer heutigen Turbinen waren Wasserräder, wie sie bereits um das Jahr 3500 v. Chr. in Mesopotamien zum Schöpfen von Wasser verwendet wurden. Auch Inder, Ägypter und Chinesen kannten diese Technik. Im Römischen Reich fanden Wasserräder vielfältige Verwendung für Göpel- werke, Getreidemühlen, Sägewerke, Schöpfvorrichtungen und sonstige Zwecke. Die Durchmesser der Räder erreichten bis zu 30 Metern.
Die älteste Form des Wasserrads ist das “Stoßrad”, das mit seinen Schaufeln horizontal in den Fluss eintaucht. Hier wird ausschließlich die Bewegungsenergie des Wassers genutzt.
Daraus abgeleitet ist das “unterschlächtige” Wasserrad, bei dem zwischen Ein- und Austritt des Wassers eine leichte Höhendifferenz besteht und so neben der Bewegungsenergie auch die Schwerkraft bzw. der Druck des Wassers von der Bergseite her genutzt wird.
Anders beim “oberschlächtigen” Wasserrad, das im Mittelalter entwickelt wurde: Hier fließt das Wasser von oben auf die muldenförmigen Schaufeln, so dass das Rad hauptsächlich durch das Gewicht des Wassers angetrieben wird.
Als Mischform mit vorwiegender Nutzung der Lageenergie wäre noch das “mittelschlächtige” Wasserrad zu erwähnen.
Aktion und Reaktion
Wird allein die Bewegungsenergie des Wassers genutzt, wie beim Stoßrad, so spricht man auch vom “Aktionsprinzip”. Das Gegenstück dazu, nämlich die alleinige Nutzung der Lageenergie, ist das “Reaktionsprinzip”.
Das Stoßrad nutzt nur die Bewegungsenergie des Wassers (Aktionsprinzip).
Das unterschlächtige Wasserrad nutzt hauptsächlich die Bewegungsenergie.
Das oberschlächtige Wasserrad nutzt fast nur die Lageenergie des Wassers (Reaktionsprinzip).
Das mittelschlächtige Wasserrad nutzt hauptsächlich die Lageenergie.
