Wasserräder zur Elektroenergiegewinnung

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Emil Eberhardt
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1 Wasserräder zur Elektroenergiegewinnung D. Nuernbergk

2 Übersicht Wasserkraft in Deutschland im Vergleich Wasserradtypen/Anwendungsbereiche Bachsches Kulissenrad Zuppinger Wasserräder Oberschlächtige Wasserräder Typische Gewässer in Thüringen Zusammenfassung

3 Wasserkraft in Deutschland

4 Wasserkraft in Deutschland

5 Wasserkraft in Deutschland

6 Wasserradtypen A - unterschlächtiges Rad B - Poncelet-Wasserrad C - Zuppinger-Wasserrad D - Sagebien-Wasserrad E - Bachsches Wasserrad F oberschlächtiges Rad Heutzutage: C - Zuppinger-Wasserrad E - Bachsches Wasserrad F oberschlächtiges Rad

7 Wasserradtypen Jahr TWA BEGA Anzahl (Pelek) ZWR/USWR (21kW) 1 (12kW) 1 (18kW) 1 (2kW) 5 (86,5kW) 4 (25kW) (14kW) 4 (34kW) 2 (58kW) 2 (26,5kW) (10kW) 2 (7kW) 5 (211kW) 2 (48kW) (36kW) 3 (18kW) 3 (36kW) 2 (10,5kW) (15kW) 2 (7,1kW) 6 (16,5kW) 4 (32kW) (?) 7 (101kW) (0) 5 (23kW) 5 (90,5kW) 2 (40kW) (30kW) 1 (12kW) 1 () 3 (31kW) 2 (22kW) (5,5kW) 1 (1kW) 2 (22,5kW) (18kW) 2 (33kW) 1 (5 kw) 1995/94 1 (4kW) 1 (1kW) 1 (25kW) Ges 7 (112kW) 6 (43,5kW) 5 (29,1kW) 26 (120,5kW) 28(593,5kW) OSWR ZWR/USWR HYDROWATT OSWR 3 Firmen, in zehn Jahren, 99 Wasserräder Installierte Leistung insgesamt: 1,313 MW ZWR/USWR OSWR 26 (310kW) Bach 1 (105kW) 1(105kW)

8 Zuppinger Wasserräder Da = 5,5 m B = 1,5 m Q = 1850 l/s H = 1,8 m Pelek = 20 kw Wirkungsgrad der Anlage 0,65 Zuppinger Wasserrad mit Überfalleinlauf, Dornbirn (Hersteller: Hydrowatt)

9 Zuppinger Wasserräder Anwendungsbereich von Zuppinger Wasserrädern Anwendungsbereich von Turbinen

10 Zuppinger Wasserräder Eintritt über Schütze, Überfall, Kulisse oder Niedergefällerad Strahlumlenkung aber nicht um 180 gekrümmte Schaufeln tangentiale Abströmung Wasserradwirkungsgrad bis 0,7-0,8

11 Zuppinger Wasserräder Anpassung der Eintauchtiefe an das Unterwasser erforderlich a) Optimaler Betriebszustand b) Unterwasser steht zu hoch, besonders hohe Verluste, Wasserrad pumpt c) Unterwasser steht zu tief, Wasser wird mit erhöhter Geschwindigkeit aus den Schaufeln abtransportiert. Wichtig: Genaue Erhebung des Unterwasserspiegels für verschiedene Durchflüsse Anpassung des Wasserrades an das Unterwasser durch Drehzahl Änderung möglich

12 Gewässer in Thüringen (Mahlgera) Nr / km Mühle an der Mahlgera Ort Merk-pfahl 1/ 13,75 Obermühle Kühnhausen 2/ 13,12 Untermühle 3/ 12,34 H / [m] Q / [m3/s] , ,4 USWR T Kühnhausen 166, ,4 USWR 2T Reaktivierung Lachmühle Elxleben 163, ,4 USWR abgebrannt 4/ 10,86 Planmühle Elxleben 160, ,4 2 USWR USWR Reaktivierung 5/ 10,36 Neue Mühle Elxleben 159, ,4 T Abriss / 9,3 Münstergehofsmühle Elxleben 158, ,4 USWR Grundmauern 7/ 8,71 Panzermühle Walschleben 157, , stillgelegt 8/ 7,61 Gewaltmühle Walschleben 156, ,4 T T Reaktivierung 9/ 5,63 Mühle Andisleben 154, ,4 USWR T Reaktivierung 10/ 1,94 Mahl und Öl-Mühle Trostdorf Ringleben 152, ,4 USWR ZWR WKA 18,9..3,7kW 11 - Mühle Posner (Schlossmühle) Gebesee? USWR Ohne Wasser 2 1,6..1,85 Stauhöhe Wehr Kühnhausen (beschädigt): 168,17 Durchflüsse momentan: 1,3...0,4 m3/s (bis 2 m3/s) Gefälle 14,5 m, Pelek = kw, auf einer Länge von 13,75 km genutzes Potential: 25 kw Bemerkung

13 Zuppinger Wasserräder Zuppinger Wasserrad in Ringleben (Hersteller: TWA) Zuppingerrad mit Überfall H = 1,6 m Q = 2 m3/s Pelek = 18,8 kw im Augenblick: beschädigtes Wehr in Kühnhausen H = 1,65...1,85 m Q = 1,2... 0,6 m3/s Pelek = kw

14 Zuppinger Wasserräder Datum H / [m] Q / [m3/s] Pth / [kw] Pelek / [kw] WirkungsGrad / [1] Bemerkung ,720 1,148 19,36 10,45 0,54 Alter Generator, Absatz im Kropf, ungleichm. Anströmung ,855 0,476 8,65 3,9 0,45 Mängel beseitigt, Messpfahl neu vermessen H=0,1 m ,855 0,560 10,18 4,96 0,487 H= 0, ,790 0,676 11,90 6,4 0,54 H= 0, ,790 0,699 12,26 6,97 0,569 H= 0, ,780 0,773 13,49 8,52 0,632 H= 0, ,655 1,053 17,08 10,70 0,626 H= 0, ,640 1,182 19,00 11,80 0,621 H= 0,025 Ergebnisse der Wirkungsgradbestimmung (Zuppinger-Wasserrad-Ringleben)

15 Kostenvergleich Zuppinger-Wasserrad Kaplan-Turbine Durchström-Turbine Hersteller Deutschland/Thüringen Tschechien Deutschland Maschinensatz Konstruktionsteile des Wasserrades 52% Einfach regulierte KaplanTurbine + Getriebe 65% Zweizellige Turbine mit Saugrohr und Regler 78% Wirkungsgrad 0,7.. 0,77 0,83 (im Bestpunkt) 0,81.. 0,83 Getriebe Ketten-, Stirnrad-, Riemengetriebe i=1:170 30% (0,92) Riemengetriebe einstufig Zweistufiges Getriebe Generator 37kW (0,93 ) 4% 37kW (0,9) 8% 37kW (0,93) 4% Rechen 2% 2% 1% Lieferung und Montage 12% 25% 11% AnlagenKosten bezogen auf wirkungsgrad 0,6...0,66 0,73 0,72...0,74 das Wasserrad 100% (0,98) 88% 6% (0,96) 108% Wasserkraftstandort: H =1,8m Q=3000 l/s -> gewählt Ausbau mit Wasserrad, da Kropfgerinne vorhanden -> 2200 Euro/kW

16 Bachsches Wasserrad Zulauf über Kulisse Strahlumlenkung um 180 kreisförmig Schaufeln tangentiale Abströmung Wirkungsgrad bis 85% selten gebaut

17 Bachsches Wasserrad Da = 6,0 m B = 6,0 m Q = 3900 l/s H = 3,84 m Pelek = 105 kw Wirkungsgrad der Anlage 0,7 geht bis 110kW Bachsches-Wasserrad an der Bode, rückschlächtig, Hammergrund Thale (Hersteller: Hydrowatt)

18 Oberschlächtige Wasserräder Anwendungsbereich von oberschlächtigen Wasserrädern Oberschlächtiges Wasserrad Groß Werzin (Hersteller: TWA)

19 Oberschlächtige Wasserräder a) Zuführung breitkroniges Wehr mit Schussgerinne Rechen (und damit Rechengutentsorgung) nicht erforderlich Einfacher Aufbau (für Eigenbau geeignet) Zweistufiges Getriebe + Riemengetriebe Einfach Zuführung Hoher Wirkungsgrad (0,75..0,85)

20 Oberschlächtige Wasserräder Verluste beim Austritt statische Verluste dynamische Verluste Verlust durch Freihang Watverluste Waten vermeiden Freihang klein halten Genaue Ermittlung des Unterwasserspiegels in Abhängigkeit vom Durchfluss erforderlich

21 Oberschlächtige Wasserräder Laboruntersuchung von Stauss und Meerwarth ( ) konstante Wirkungsgrade von bis zu 0,85 über einen weiten Bereich aber konstanter Freihang angenommen

22 Oberschlächtige Wasserräder Umrechnung auf einen variablen Freihang Berücksichtigung des Wirkungsgrades von Getriebe und Generator Anlagenwirkungsgrad bis 0,72 möglich relativ konstanter Wirkungsgrad für unterschiedliche Durchflüsse Q

23 Oberschlächtige Wasserräder Wasserradanlage in Stedten bei Kranichfeld (Hersteller: TWA) Wirkungsgraduntersuchungen H = 2,9...3,25 m Q = 0, ,6 m3/s

24 Oberschlächtige Wasserräder Gemessener Wasserradwirkungsgrad (Getriebe und Wasserrad) der WKA Stedten Gemessener Anlagenwirkungsgrad (Wasserrad-Getriebe und Generator) der WKA Stedten

25 Gewässer in Thüringen (Laucha) Nr Mühle an der Laucha km H / [m] 1 Massemühle 13 3,5 2 Leukhardtsmühle 3 Lohmühle 4 Q / [m3/s] Pth=9.8 H Q / [kw] Pelek = 0,7 Pth / [kw] Ausbau Stand ,15...0,05 5,1...1,7 3,6...1,2 OSWR 3,5 0,15...0,05 5,1...1,7 3,6...1,2 OSWR 4,4 0,15...0,05 6,5...2,1 4,5...1,5 OSWR Helms-Mühle 5,5 0,24...0,08 12,9...4,3 9,0...3,0 OSWR 5 Obere Schneidemühle 0,24...0,08? 6 Stockmühle 3,5 0,24...0,08 8,2...2,7 5,8...1,9 OSWR 7 Untermühle 7,9 3,4 0,24...0,08 8,0...2,6 5,6...1,8 OSWR 8 Schmiedsmühle 3,5 0,24...0,08 8,2...2,7 5,8...1,9? 9 Kleintabarzer Mühle 7,5 5,0 0,24...0,08 11,8...3,9 8,2...2,7? 10 Hüttenmühle 0,24...0,08? 11 Obermühle 5,8 4,0 0,30...0,10 11,8...3,9 8,2...2,7? 12 Mittelmühle 5,5 4,3 0,30...0,10 12,6...4,2 8,6...2,9 Turbine 13 Sieben Lindenmühle 4,3 4,2 0,30...0,10 12,3...4,1 8,6...2,9 OSWR 14 Ölmühle 3,9 3,8 0,36...0,12 13,4...4,5 9,4...3,1? 15 Lohmühle 3,5 4,0 0,36...0,12 14,1...4,7 9,9...3,3 OSWR 16 Obermühle 2,3 3,2 0,36...0,12 11,3...3,8 7,9...2,6 Francis-T 17 Rietmühle 1,0 3,2 0,36...0,12 11,3...3,8 7,9...2,6 OSWR 2003 Laucha (Thüringen), Länge 13 km, ca. 15 m Fallhöhe/km, 59 m früher genutzte Fallhöhe -> Pelek = 106,8...35,3kW 6,4 m heute genutzte Fallhöhe -> elektrische Leistung: 16 kw

26 Zusammenfassung Wasserräder haben eine Zukunft! günstiger Wirkungsgradverlauf (gleichmäßig hoch für unterschiedliche Durchflüsse/Beaufschlagungen besonders aussichtsreich ist das oberschlächtige Wasserrad Wirkungsgrade der WR Anlagen liegen für Zuppinger-Wasserräder bei 0,6..0,65 für oberschlächtige Wasserräder bei 0,65..0,72

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