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Tagungsband 2002

Tagungsband 2002 - bau.uni-siegen.de · wurde u.a. das Projekt Trafo-Mills, ein Programm zur Nutzung von Wasserrädern in Afrika, vorgestellt. Als Ergänzung zu den Vorträgen wurde

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Tagungsband 2002

5. fwu-Workshop Renaissance des Wasserrades

Inhaltsverzeichnis

Seite

Vorwort 2

Programm 3

Das Projekt Trafo-Mills 4

Renaissance des Wasserrades 12

Kleinstelektrifizierung im Inselbetrieb 32

Exkursion 46

Weiterführende Literatur

AWULACHEW: Dissertation, Investigation of Water Recources Aimed at Multi-Objective Development with Respect to Limited Datat Situation: The Case of Abaya-Chamo Basin, Ethiopia, Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 19, Technische Universität Dresden, 2001

BOHL: Strömungsmaschinen 1, 7.Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1998

BOHL: Strömungsmaschinen 2, 5.Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1995

BRETSCHNEIDER ET. AL.: Taschenbuch der Wasserwirtschaft, 7.Auflage, Verlag Paul Parey , 1993

BRINKMANN: Physikalische Analyse zur Bestimmung von Kriterien für die Auslegung und Optimierung von ober- und unterschlächtigen Wasserrädern, Konferenz-Einzelbericht: Kleinwasserkraftwerke, 2. Anwenderforum, OTTI Technologie-Kolleg, Passau, 1999

DIN-Taschenbuch 179, Wasserbau 1, 3.Auflage, Beuth Verlag GmbH, Berlin, Köln, 1990

EPDING: Dissertation, Experimentelle Untersuchungen an Wasserturbinen kleinster Leistungen, Technische Universität Braunschweig, 1983

GARBRECHT: Wasser – Vorrat, Bedarf und Nutzung in Geschichte und Gegenwart, Rowohlt Taschenbuch Verlag GmbH, Reinbek bei Hamburg, 1985

HAILU: Dissertation, Optimierung von Standorten für Kleinwasserkraftanlagen zur Elektrifizierung ländlicher Gebiete, Technische Universität Dresden, 2001

MÜLLER: Die Wasserräder – Berechnung, Konstruktion und Wirkungsgrad, Neudruck der 2.Auflage, Verlag Moritz Schäfer GmbH & Co. KG, Detmold, Original von1939

PÁLFFY ET. AL.: Wasserkraftanlagen, 2.Auflage, expert verlag, Renningen-Malmsheim, 1991

RAABE: Hydraulische Maschinen und Anlagen, 2.Auflage, VDI Verlag, Düsseldorf, 1989

SCHRÖDER ET. AL.: Grundlagen des Wasserbaus, 3. Auflage, Werner Verlag , 1994

VON KÖNIG: Bau von Wasserkraftanlagen, Verlag C.F. Müller GmbH, Karlsruhe, 1985

WEIß: Dissertation, Ein Beitrag zur Planung und Projektierung von Kleinwasserkraftanlagen, Technische Hochschule Aachen, 1992

WÖLFEL: Das Wasserrad: Technik und Kulturgeschichte, Verlag für Bauwesen, Berlin, 1987

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5. fwu-Workshop Renaissance des Wasserrades

Vorwort

Sehr geehrte Teilnehmerinnen und Teilnehmer,

Der am 20.02.2002 durchgeführte Workshop „Renaissance des Wasserrades“ war bereits die fünfte

Veranstaltung dieser Art der Forschungsstelle für Wasserwirtschaft und Umwelt (fwu) an der Universität

Siegen seit 1998.

Ziel dieser Veranstaltung war es Interessenten aus Wasserwirtschaftsverwaltungen und- verbänden,

Ing.-Büros und Bauunternehmen Gelegenheit zu geben, Nutzen, Anwendungsfälle und Praxiserfah-

rungen im Bereich von Klein- und Kleinstwasserkraftanlagen mit Wasserrädern kennen zu lernen. Der

Workshop gab erfolgreich einen Einblick in die Einsatzmöglichkeiten von Wasserrädern im Bereich der

Nutzbarmachung von Wasserkraftpotentialen und konnte zum Erfahrungsaustausch beizutragen. Es

wurde u.a. das Projekt Trafo-Mills, ein Programm zur Nutzung von Wasserrädern in Afrika, vorgestellt.

Als Ergänzung zu den Vorträgen wurde in der angebotenen Nachmittagsexkursion auch die Strupp-

mühle in Gießen, ein erfolgreiches Beispiel des Einsatzes eines modernes Wasserrades, besucht. Über

30 Teilnehmer, insbesondere Mitarbeiter aus Wasserverbänden, Fachbehörden und Ingenieurbüros

sowie Bauunternehmen, nahmen an dem Workshop teil und informierten sich.

Die von den Referenten gehaltenen Vorträge sind in diesem Tagungsband zusammengestellt. Den

Referenten danken wir ganz besonders für ihr hervorragende Arbeit.

Siegen, im Februar 2002

Jürgen Jensen Jörg Wieland Jan-Eric Kapp

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5. fwu-Workshop Renaissance des Wasserrades

Programm

8.45 Uhr Eröffnung

9.00 Uhr Das Projekt Trafo-Mills

Prof. Dr.-Ing. Jensen, Dipl.-Ing. Wieland,

Dipl.-Ing. Kapp, fwu, Universität Siegen

9.15 Uhr Renaissance des Wasserrades, Teil 1

Dipl.-Ing. Günther, BEGA Wasserkraftanlagen GmbH

10.45 Uhr Pause

11.00 Uhr Kleinstelektrifizierung im Inselbetrieb

Prof. Dr.-Ing. Pacas, Dipl.-Ing. Schulz,

LEA, Universität Siegen

11.15 Uhr Renaissance des Wasserrades, Teil 2

Dipl.-Ing. Günther, BEGA Wasserkraftanlagen GmbH

12.45 Uhr Diskussion/Fragen

13.00 Uhr Mittagspause

Anschließend Exkursion:

14.00 Uhr Busabfahrt nach Gießen

15.00 Uhr Besichtigung der Struppmühle Gießen

evtl. mit Kaffeepause

17.00 Uhr Rückfahrt nach Siegen

18.00 Uhr Ende der Exkursion

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5. f wu-Workshop Prof. Dr.-Ing. Jensen, fwu

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„Entwicklung eines Konzeptes zur Nutzung von Wassermühlen

in Entwicklungsländern (TRAFO-MILLS)“

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen Dipl.-Ing. (FH) Jan-Eric Kapp Dipl.-Ing. (FH) Jörg Wieland

Universität Siegen

Forschungsstelle Wasserwirtschaft und Umwelt (fwu) Paul-Bonatz-Straße 9-11

57076 Siegen

finanziert durch:

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Das Projekt Trafo-Mills Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen

Projektbearbeitung: Dipl.-Ing. (FH) Jan-Eric Kapp Dipl.-Ing. (FH) Jörg Wieland

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„Renaissance des Wasserrades“

Dip.-Ing. Thomas Günther

BEGA Wasserkraftanlagen GmbH Herderallee 30 44791 Bochum

5. fwu-Workshop Dipl.-Ing. Günther, BEGA

Renaissance des Wasserrades Dipl.-Ing. Thomas Günther, BEGA

Das Wasserrad war über Jahrhunderte hinweg die wichtigste Arbeitsmaschine der Menschheit. Allein in

Deutschland waren über 100 000 Wasserräder an Getreidemühlen, Sägewerken, Hämmern und in

mehr als hundert weiteren Handwerksbetrieben im Einsatz.

Mit dem Aufkommen der Turbinen und der elektrischen Generatoren tat die Wasserkraft den Schritt von

der direkten mechanischen Nutzung zur anteiligen Energieversorgung in länderübergreifenden Ver-

bundnetzen. Mit der Turbine konnten Wasserkraftpotentiale erschlossen werden, die aufgrund der

Wassermengen und Fallhöhen dem Wasserrad nicht zugeführt werden konnten. Man denke an die

großen Laufwasserkraftwerke an den Flüssen, die Mitteldruckanlagen an Talsperren oder die Hoch-

druckanlagen im Gebirge.

Mit dem Ende des 20. Jahrhunderts stößt der Ausbau der Wasserkraft im Mega-Watt Bereich nunmehr

an seine natürlichen Grenzen. Die vorhandenen Potentiale sind zumindest in Deutschland weitest-

gehend erschlossen oder Ihr weiterer Ausbau findet keine gesellschaftliche Akzeptanz.

Auffällig ist, das die Zahl der Wasserkraftanlagen sich im Laufe des vergangenen Jahrhunderts um den

Faktor 10 verringert hat. Nur rund 8 000 Turbinenanlagen decken heute ca. 5% des deutschen Strom-

bedarfs. Vergleicht man diese Zahl mit den einst 100 000 Wassermühlen so wird deutlich, das die

meisten ehemaligen Wasserkraftstandorte nicht auf Turbinenanlagen umgerüstet wurden, sondern

brachgefallen sind. So hatte beispielsweise die für Ihre Messer und Klingen bekannte Stadt Solingen

früher über 120 Schleifkotten, heute kann man die Zahl der Wasserkraftanlagen an einer Hand ab-

zählen.

Die Gründe hierfür liegen überwiegend im politisch-rechtlichen Bereich. Die Umrüstung eines Stand-

ortes von mechanischer Nutzung auf Stromerzeugung wurde in der Vergangenheit vielfach als durch

ein vorhandenes Altrecht nicht abgedeckt angesehen. Eine auf Entzug alter Wasserrechte ausge-

richtete Gewässerpolitik im Verbund mit einer auf Versorgung durch Großkraftwerke abzielenden

Energiepolitik blockierten die Umrüstung alter Wassermühlen zu privaten Kleinstkraftwerken im Netzpa-

rallelbetrieb. Während auf der Energieseite dank des Stromeinspeisegesetzes eine Neuorientierung

erfolgte ist auf der Seite der Wasserwirtschaftsämter eine Lockerung restriktiver Gesetzesauslegung

noch eher die Ausnahme.

Daneben gab es aber auch technische Schwierigkeiten bei der Umrüstung speziell von Wasserrädern

auf Stromerzeugung. Die niedrige Drehzahl des Wasserrades bei extrem hohen Drehmomenten muss

auf übliche Generatordrehzahlen transferiert werden, d.h. eine Übersetzung von etwa 1:100 ins

Schnelle ist erforderlich. Dies war mit Riementrieben allein nicht zu bewältigen. In der Eingangsstufe

waren große Zahnradgetriebe erforderlich, insgesamt musste die Drehzahl über mindestens drei Stufen

hochtransformiert werden. Hier hatte die Turbine durch die vergleichsweise hohe Drehzahl bei ent-

sprechend niedrigerem Drehmoment zunächst bauartbedingte Vorteile.

Aber auch das Wasserrad kann seinerseits gegenüber der Turbine Vorteile verbuchen: So ist es

äußerst robust und weitgehend unempfindlich gegenüber Gewässerverunreinigung. Insbesondere die

Bauart des oberschlächtigen Wasserrades bedarf nicht einmal eines Rechens, auch entfällt die aktive

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Wasserstandsregulierung. Der Wirkungsgrad insbesondere im Teillastbereich ist unübertroffen hoch

sofern man Wasserrad und Turbine gleicher Leistung miteinander vergleicht und nicht wie leider oft

geschehen ein 5 kW Wasserrad einer 500 kW Turbine gegenüberstellt. Auch die Öko-Bilanz spricht

eindeutig für das Wasserrad. Aufgrund seiner niedrigen Drehzahl ist eine Verletzungsgefahr für Fische

ausgeschlossen, die biologische Durchgängigkeit der Gewässer bleibt in der Regel gewahrt.

Bleibt die Frage warum die Turbine nach wie vor den Regelfall im Wasserkraftanlagenbau darstellt und

das Wasserrad eher als Nischenprodukt anzusehen ist. Für die Vergangenheit ist die Antwort sicher in

der mangelnden wirtschaftlichen Attraktivität des Kleinstleistungsbereich zu suchen. Technisch hat das

Wasserrad inzwischen deutlich aufgeholt. Mit modernen Planetengetrieben sind die Drehmomente

eines Wasserrades beherrschbar, eine Übersetzung von 1:100 bei Wirkungsgraden von über 90% kein

technisches Problem mehr. Auch die Fertigungstechnik ist nicht bei Zimmermannsarbeit stehen

geblieben. Nichtrostendes Metall wie Edelstahl oder seewasserfeste Aluminiumlegierungen sind

ebenso Standard wie CNC-gesteuerte Blechbearbeitung.

Hinsichtlich der Marktanteile von Turbine und Wasserrad werden derzeit die Karten neu gemischt,

nachdem die "Filetstücke" der Wasserkraftstandorte längst vergeben sind und sich die Aufmerksamkeit

nun dem noch verbleibenden Potential zuwendet. Dies sind insbesondere die alten Mühlenstandorte mit

Einzelleistungen von oft nur 10 kW und darunter. Hier hat das Wasserrad seinen angestammten Platz

und es spricht alles dafür das es ihn sich im 21. Jahrhundert zurückerobern wird.

Dipl. Ing. Thomas Günther

Geschäftsführer

Bega Wasserkraftanlagen GmbH

Herderallee 30

44791 Bochum

tel. 0234 - 584 270

fax 0234 - 584 370

weitere Informationen: http://www.bega-wasserkraft.de/

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„Kleinstelektrifizierung im Inselbetrieb“

Prof. Dr.-Ing. J. M. Pacas Dipl.-Ing. Martin Schulz

Universität Siegen Fachgruppe Leistungselektronik und Informatik (LEA)

Hölderlinstraße 3 57068 Siegen

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34
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5. fwu-Workshop Dipl.-Ing. Schulz, LEA
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5. fwu-Workshop

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Exkursion/Pressebericht

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Exkursion

Wasserrad Struppmühle in Gießen

Allgemeine Daten Betreiber der Anlage: Stadtwerke Gießen

Standort der Anlage: Struppmühle in Wieseck

Anlagentyp: Wasserrad

Installierte Leistung : 3,5 kW

Vertragsbeginn: 01. Januar 2000

Stromertragsdaten prognostizierte jährliche Einspeisemenge ins öffentliche Netz: 30.000 kWh

monatliche Einspeisemenge (Durchschnitt): 2.500 kWh

Quelle: http://www.naturstrom.de/erzeuger/wasser/struppmuehle/

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Argensteiner Mühle in Weimar Argenstein

Allgemeine Daten Baujahr: 13jh.

Standort der Anlage: Zur Lahn 21, Weimar Argenstein

35096, Argenstein

Landkreis: Marburg-Biedenkopf

Bundesland: Hessen

Kontakt: Dr. Karl-Heinz Wenz

(0 64 56 / 2 32)

[email protected]

Unterschlächtige Wassermühle mit noch funktionierendem mächtigen Mühlrad. Seit 1975 stillgelegt. Derzeit

Kleinwasserkraftwerk mit 5-8 kW Leistung. Original Ausstattung aus 1880 bis 1920. Quelle:http://www.deutsche-muehlen.de/muehlen_daten/detail.asp?id=666

Quelle: http://www.uni-jena.de/~p9scch/priv/album/lahn/lahn.html

Unweit Marburg - Die Argensteiner Mühle

Eine echte Mühle - das heißt eine, die von der Kraft des Windes oder des Wassers getrieben Getreide

mahlt - zählt heute zu den Seltenheiten nicht nur der deutschen oder - wie hier - der oberhessischen

Landschaft. Überall in der Welt triumphiert die Zweckmäßigkeit über das Schöne, die Eile über das

Beschauliche. Unweit von Marburg, einige Kilometer südlich an der B 3 hat die schnellebige Zeit ein

wenig verhalten und einer uralten Handwerkstradition Referenz erwiesen.

Argenstein heißt der kleine Flecken an der Lahn, wo die alte Mühle mahlt. Sie ist seit 300 Jahren im

Besitz ein und derselben Müllerfamilie. Die Überlieferung will wissen, daß die Ursprünge bis ins 14.

Jahrhundert zurückgehen und daß die Mühle einst geistlicher Besitz war, ehe die mächtigen,

unterschlächtigen Zwillingswasserräder eigenständige Müller ernährten. Der schwarzgrüne Kranz des

Wassermooses an der Hauswand spricht von zahllosen Umdrehungen der von der Strömung des

Flusses getriebenen Räder.

5. fwu-Workshop Exkursion

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Die hessische Landschaft gehört zu den stilleren, intimeren Deutschlands, und auch ihre Flüsse und

Flüßchen fügen sich dienend in den Rahmen gemächlichen Temperamentes, beschaulicher Lebensart.

Der Main kommt schon reichlich erwachsen in Hessen an; aber Fulda und Eder, Diemel und Kinzig und

die Lahn, vertreten die eigentliche hessische Gangart. Sie wässern das Wiesen- und Weideland,

zuweilen überfluten sie es auch - die Lahn tat sich dabei so häufig hervor, daß man sie schließlich

zwischen den beiden Weltkriegen regulierte. Aber der Grundzug ihres Wesens ist idyllisch, und an

schönen Tagen wirft ihr Spiegel da und dort Szenerien zurück, die im Leben des zwanzigsten

Jahrhunderts einigermaßen kostbar geworden sind. Das gilt nicht allein für so stattliche und betagte

Fachwerkbauten wie die Argensteiner Mühle im "Marburger Land" - es gilt wohl für das hessische

Leben überhaupt...

Noch heute hat zum Beispiel im nahen Marburg - ein paar Kilometer stromaufwärts - das Human-

Gesellige seine unangefochtene und selbstverständliche Ordnung: der regelmäßige Markt ist ebenso

farbenfroh, wie das studentische Leben dort selbstverständlich ist. Zwischen Fulda, Eder, Rhein und

Lahn gibt es manchen Zeugen großer Lebensart und Gesinnung - denken wir an den Limburger Dom,

das Weilburger Schloß, die Marburger Elisbethkirche und alles Streift ein Hauch Beschaulichkeit, und

insofern ist die Argensteiner Mühle, so einzigartig sie als Mühle ist, doch wieder keine Seltenheit.

Quelle:http://www.gemeinde-weimar.de/geschichte.html

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Bericht aus der Siegener Zeitung vom 9. März 2002

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