Wasserturbine

Eine Wasserturbine ist ein Laufrad mit Schaufeln, das Wasser unter Druck sehr schnell antreibt, entweder in einem geschlossenen Gehäuse oder durch einen Strahl. Wie das Wasserrad nutzt sie die Energie fallenden Wassers, aber in einer viel kleineren und schnelleren Maschine, und seit den 1880er-Jahren treibt sie die Generatoren der Wasserkraftwerke an.

Was es ist

Eine Wasserturbine ist ein Rad mit gekrümmten Schaufeln, das Laufrad, das Wasser unter Druck sehr schnell dreht. Wie das Wasserrad bezieht sie ihre Energie aus Wasser, das aus einer gewissen Höhe fällt. Ein oberschlächtiges Rad dreht sich jedoch an der Luft unter dem Gewicht des Wassers in seinen Zellen, ein unterschlächtiges Rad unter dem Druck der Strömung, mit wenigen Umdrehungen pro Minute. Die Turbine erhält ihr Wasser durch eine Rohrleitung und läuft zehn- bis hundertmal schneller, sodass eine viel kleinere Maschine dieselbe Leistung bringt.

Dank ihrer Drehzahl kann sie einen Generator mit wenig oder ganz ohne Übersetzung antreiben. Fast jedes Wasserkraftwerk nutzt eine von drei Bauarten: das Pelton-Rad, die Francis-Turbine oder die Kaplan-Turbine.

Wie es funktioniert

In einer Gleichdruck- oder Freistrahlturbine wandelt eine Düse den gesamten Druck in einen schnellen Strahl um, und das Laufrad dreht sich in Luft. In einer Überdruckturbine ist das Laufrad eingeschlossen und voll Wasser; der Druck sinkt zwischen den Schaufeln, die wie gewölbte Flügel arbeiten.

Die Schneide jedes Bechers teilt den Strahl und lenkt beide Hälften zurück.

Das Pelton-Rad ist eine Freistrahlturbine für große Fallhöhen und kleine Wassermengen. Eine Schneide teilt jeden Becher, spaltet den Strahl und wirft jede Hälfte fast vollständig zurück. Die Francis-Turbine, eine Überdruckturbine und die verbreitetste Bauart, deckt mittlere Fallhöhen ab, etwa 40 bis 600 Meter. Die Kaplan-Turbine, ein Propeller mit drehbaren Flügeln an der Nabe, dient bei geringen Fallhöhen und großen Wassermengen, unterhalb von etwa 80 Metern.

Die Tafel zeigt einen Francis-Maschinensatz. Das Wasser fließt durch die Druckrohrleitung (1) in das Spiralgehäuse (2), das sich um die Maschine windet und dabei enger wird, damit das Wasser von allen Seiten gleichmäßig eintritt. Die Leitschaufeln (3) versetzen es in Drall und regeln die Durchflussmenge. Es strömt von außen nach innen durch das Laufrad (4) und verlässt es nach unten durch das Saugrohr (5), ein sich erweiterndes Rohr, das es allmählich abbremst und einen Teil der Restenergie zurückgewinnt.

Die verfügbare Leistung beträgt P = ρ·g·Q·H·η: Dichte des Wassers ρ (etwa 1.000 kg/m³), Erdbeschleunigung g (9,81 m/s²), Durchfluss Q in m³/s, Nettofallhöhe H in Metern und Wirkungsgrad η. Bei 100 Metern Fallhöhe, 0,2 m³/s und 85 % für Turbine und Generator zusammen ergibt sich P = 1.000 × 9,81 × 0,2 × 100 × 0,85 ≈ 167 kW. Große Francis-Turbinen allein erreichen über 90 %.

Der Generator (7) sitzt auf derselben Welle, und seine Frequenz folgt der Drehzahl. Der Drehzahlregler (6) hält sie konstant: Er schließt die Leitschaufeln, wenn die Welle schneller wird, und öffnet sie, wenn sie langsamer wird. Er muss allmählich arbeiten, denn wer eine lange Druckleitung plötzlich schließt, löst einen Druckstoß aus, der das Rohr sprengen kann. Bei 100 Umdrehungen pro Minute braucht ein Generator 60 Pole für 50 Hertz.

Bauanleitung

Ein Rad aus Löffeln, gespeist über einen Gartenschlauch aus einem Bach, kann eine Fahrradlampe zum Leuchten bringen. Fragen Sie zuerst den Grundeigentümer und die Wasserbehörde: In den meisten Ländern braucht man für die Entnahme aus einem Gewässer eine Genehmigung.

Fallhöhe messen. Legen Sie einen Schlauch von der Entnahmestelle bis zum Standort des Rades, halten Sie das obere Ende unter Wasser und lassen Sie es laufen, bis keine Luft mehr austritt. Verschließen Sie dann das untere Ende mit einem Manometer: Jedes Bar statischer Druck entspricht etwa 10,2 Metern Fallhöhe. Ein Nivelliergerät und eine Messlatte, bachabwärts von einem markierten Punkt zum nächsten versetzt, dienen zur Kontrolle.

Durchfluss messen. Ein Rinnsal unter etwa 5 Litern pro Sekunde leiten Sie durch ein Rohr in einem kleinen Erddamm und stoppen, wie lange ein Eimer zum Volllaufen braucht. Bei einem größeren Bach stoppen Sie einen Schwimmer über 10 Meter, multiplizieren seine Geschwindigkeit mit etwa 0,85 und dann mit Breite und mittlerer Tiefe.

Leistung berechnen. Mit 8 Metern Fallhöhe und 0,3 Litern pro Sekunde im Schlauch führt das Wasser P = 1.000 × 9,81 × 0,0003 × 8 ≈ 24 W mit sich. Schlauch und Düse verbrauchen einen Teil der Fallhöhe, und ein selbst gebautes Rad mit Dynamo macht nur aus einem bescheidenen Teil des Rests Strom. Rechnen Sie mit einigen Watt, vielleicht genug für einen Fahrraddynamo mit 3 Watt, und messen Sie, was tatsächlich ankommt. Lassen Sie den größten Teil des Bachs den Fischen.

Zwei Löffel nebeneinander bilden einen einfachen geteilten Becher.

Laufrad bauen. Befestigen Sie eine Sperrholzscheibe von etwa 30 cm Durchmesser auf einer Stahlachse, die in zwei Lagern läuft. Schrauben Sie acht bis zehn Paare Esslöffel an den Rand, jeweils nebeneinander, sodass ihre Mulden über den Rand ragen, zum Strahl zeigen und zusammen eine Schneide bilden.

Strahl ausrichten. Setzen Sie eine Strahldüse auf den Schlauch und klemmen Sie sie so fest, dass der Strahl die Schneiden tangential trifft. Ohne Verluste träte er mit 12,5 m/s aus; mit der Reibung im Schlauch sind etwa 10 m/s wahrscheinlicher. Die Löffel arbeiten am besten mit der halben Strahlgeschwindigkeit, gemessen auf dem Kreis, auf dem der Strahl sie trifft: etwa 270 Umdrehungen pro Minute bei 35 cm Durchmesser.

Dynamo anbringen. Setzen Sie eine zweite, glatte Scheibe von etwa 35 cm Durchmesser auf die Achse und drücken Sie die Laufrolle eines Seitenläuferdynamos gegen ihren Rand. Bei 270 Umdrehungen pro Minute bewegt er sich wie ein Fahrradreifen bei etwa 18 km/h. Verbinden Sie ihn mit zwei isolierten Drähten mit einer Fahrradlampe: Am Fahrrad führt der Rahmen den Strom zurück, hier muss es ein Draht tun. Leiten Sie das Wasser unterhalb des Rades zurück in den Bach.

Sicherheit. Arbeiten Sie nie allein an einem Bach und betreten Sie ihn nicht bei Hochwasser: Schnelles, kaltes Wasser reißt Menschen um und lässt sie ertrinken. Ein Schlauch, der 8 Meter hinabführt, steht schon unter fast einem Bar. Öffnen und schließen Sie lange Leitungen langsam, denn ein plötzliches Absperren erzeugt einen Druckstoß, der Verbindungen sprengt. Halten Sie Augen und Finger aus dem Strahl, schützen Sie das Laufrad mit einer Abdeckung und sperren Sie das Wasser ab, bevor Sie es berühren. Isolieren Sie jede Verbindung und halten Sie die Finger auch von der Dynamorolle fern. Größere Generatoren erreichen gefährliche Spannungen: Schließen Sie nie einen an die Elektroinstallation eines Gebäudes an.

Geschichte und Entwicklung

In Fourneyrons Turbine strömt das Wasser nach außen, von den festen Leitschaufeln in den drehenden Kranz.

1825 baute Claude Burdin, Professor an der Bergbauschule von Saint-Étienne, in Pontgibaud eine Turbine mit 67 % Wirkungsgrad. Sein ehemaliger Schüler Benoît Fourneyron machte daraus eine Industriemaschine: Im April 1827 stellte er im Eisenwerk von Pont-sur-l’Ognon eine Turbine von sechs PS bei 1,40 Metern Fallhöhe auf.

1849 baute James B. Francis in Lowell, Massachusetts, eine verbesserte, von außen nach innen durchströmte Turbine und veröffentlichte 1855 seine Versuche. In den Goldgräbergebieten Kaliforniens baute Lester Pelton 1878 sein erstes Rad und ließ 1880 den geteilten Becher patentieren.

1878 beleuchtete Lord Armstrong sein Haus Cragside in Northumberland mit Bogenlampen, gespeist durch das Wasser der Seen auf dem Anwesen. In Appleton, Wisconsin, lieferte ein Kraftwerk ab dem 30. September 1882 Gleichstrom. 1895 nahm das Adams-Kraftwerk an den Niagarafällen Westinghouse-Generatoren von 5.000 PS in Betrieb, die Wechselstrom nach dem System von Nikola Tesla lieferten; ab November 1896 erreichte der Strom Buffalo. Viktor Kaplan meldete 1913 sein Patent auf verstellbare Laufradschaufeln an, und die erste industrielle Kaplan-Turbine lief 1919 in Velm in Niederösterreich.

2023 gab es weltweit 1.412 GW Wasserkraftleistung. Der Drei-Schluchten-Damm in China kommt allein auf 22,5 GW, und für seinen Stausee wurden rund 1,3 Millionen Menschen umgesiedelt. Dämme versperren Wanderfischen den Weg und halten Sedimente zurück: Laut einer 2019 veröffentlichten Studie flossen nur noch 37 % der 246 längsten Flüsse der Welt auf ganzer Länge frei.