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Letzte Änderung / Last update: 2022-Mär-11

Fluss-Strom-Generator

Themenfeld Energieversorgung
Der Leser mag fragen: Was soll das sein? Wozu soll das gut sein?

Und dann ich: Das ist was ganz bodenständiges, althergebrachtes. Früher hat man das Prinzip für Getreidemühlen ausgenutzt und nannte es [WP Schiffmühle], heute könnte und sollte man es zur Stromerzeugung einsetzen. Das ist zumindest meine Idee.

Das Prinzip ist einfach: Auf einer schwimmenden Basis, die in einem Fluss oder an seinem Ufer fest bis flexibel verankert ist, ist ein Wasserrad montiert, das durch die Strömung des Flusses angetrieben wird. Man verbindet es mit einem elektrischen Generator und gewinnt auf diese Weise elektrische Energie, Wasserkraft. Ein weiteres Wikipedia-Bild: Schiffmühle Orth.

Der Unterschied zu anderen Wasserkraftwerken besteht darin, dass so ein Flussstromgenerator nicht mit einer Turbine arbeitet, in der das Wasser selbst in heftige Rotation gerät und ggf. Fische geschädigt werden. Das Wasserrad taucht hier nur von oben in die Wasseroberfläche ein ("unterschlächtiges Wasserrad") und sollte damit ziemlich wenig Schaden anrichten können. Außerdem ist das Prinzip so einfach, dass keine aufwändige Technik nötig ist, sondern mit so einfachen Mitteln gearbeitet werden kann, wie sie einem gerade zur Verfügung stehen.

Solche Generatoren haben allerdings auch ihre Grenzen: Für Großkraftwerke sind sie untauglich, da braucht es schon Turbinen. Aber für kleine und mittlere Leistungsklassen zwischen 1 und 100 kWatt ist das einsetzbar. Damit kann man immerhin einzelne Häuser, kleine Siedlungen oder kleinere Firmen versorgen.

Eine andere Grenze, die einen bei Solarstrom und bei Windgeneratoren immer ärgert, fällt hier aber weg: Der Fluss fließt normalerweise Tag und Nacht, bei gutem und schlechtem Wetter! Man kann hiermit also sehr gut einen gewissen Grundverbrauch solide abdecken.


Aufbau

Die Struktur ist simpel: Man braucht eine Basis, das Wasserrad, einen Generator, dazwischen ggf. ein Getriebe und ggf. Elektronik zur Steuerung und elektrischen Synchronisierung.

Basis: Kleine Varianten können wie ein Tretboot in einem Vergnügungspark aussehen, im Prinzip ein Katamaran aus zwei länglichen Schwimmkörpern, die durch ein paar Leisten oder Stangen verbunden sind.
Blder aus der Wikipedia: Bild Tretboot 1, Bild Tretboot 2. Mit Kunststoff kann man heutzutage noch etwas flacher bauen: Bild Tretboot 3.

Für größere Varianten, wie sie bei den früheren Schiffmühlen verwendet wurden, hat man ganze Häuser auf einen Bootsrumpf gebaut, siehe Bild im anfangs verlinkten Wikipedia-Artikel. Wenn ich konkret sowas bauen sollte, würde ich nach einem gebrauchten Binnenschiff oder einer antriebslosen (Fracht-)"Schute" Ausschau halten. Weil die in der Regel relativ lang sind, könnte man evtl. vorne und hinten je ein großes Wasserrad einbauen. Da könnte man schon diverse Kilowatt herausholen.

Wasserrad: Da ist es wahrscheinlich am besten, wenn man das so einfach wie möglich hält, zwei Kränze mit Speichen und Bretter oder Bleche als Schaufeln, fertig. Das Ganze natürlich robust gelagert.

Das Schöne ist, dass man sich rein gar keine Gedanken über Regulierung der Eintauchtiefe oder so zu machen braucht, das wird einmal festgelegt und bleibt dann so. Schließlich schwimmt ja alles auf dem Fluss, und wenn dessen Pegel mal niedriger oder höher ist, macht das nichts, weil die Schwimmkörperbasis ja alles mitmacht.

Okay, man möchte das Gerät vielleicht abschaltbar machen, z. B. für Wartungszwecke. Dann muss man sich halt eine Mechanik ausdenken, die das Wasserrad entweder arretieren oder aus dem Wasser herausschwenken kann.

Bei Raddampfern, die praktisch das gegenteilige Prinzip umsetzen, gibt es aufwändige Konstruktionen, dass jede Schaufel des Wasserrads immer exakt senkrecht in der Strömung steht. Die zusätzliche Mechanik würde aber wohl eher mehr Energie kosten, als es zusätzlich einbringt. Das würde ich also erst einmal beiseite lassen.

Getriebe: Ein elektrischer Generator benötigt in der Regel ziemlich hohe Drehzahlen für optimalen Betrieb. Bei gemütlich strömenden Flüssen und genauso gemütlich rotierenden Wasserrädern braucht es dann also eine Übersetzung. Da reicht vielleicht ein Keil- oder Zahnriemen, vielleicht hat man aber auch ein gebrauchtes Auto- oder Motorradgetriebe zur Verfügung.


Leistung

Also ich habe selbst noch kein solches Gerät gebaut, das sind alles rein theoretische Überlegungen. Aber ich wäre kein promovierter Experimentalphysiker, wenn ich nicht wenigstens ausgerechnet hätte, was da so herauskommen könnte. Interessanterweise findet man in der Wikipedia eine ähnliche Rechnung unter [WP Wasserrad] im Unterkapitel "Leistung und Wirkungsgrad" (beim "unterschlächtigen Wasserrad"), und dort kommt man zum selben Ergebnis wie ich (auf einem etwas anderen Rechenweg): Die erzielbare Energie wächst mit der dritten Potenz der Fließgeschwindigkeit des Wassers!

Einen Physiker lässt das aufhorchen: DRITTE Potenz! Das hat Konsequenzen.
Als Konstrukteur so eines Systems hat man nämlich Einfluss genau auf diese Größe. Man kann natürlich nicht den Fluss selbst schneller machen, um mehr Strom herauszubekommen. Aber man kann um das Wasserrad herum z. B. Leitbleche und ähnliche Vorrichtungen anbringen, die das Wasser in diesem Kanal zum Wasserrad hin einengen und so auf höhere Geschwindigkeit bringen.

Wie das genau aussehen könnte, da habe ich bisher nur vage Ideen. Was da genau wieviel bringt, müsste man denn doch am praktischen Objekt durchspielen.

Wie gesagt habe ich auch ein bisschen herumgerechnet und wollte eben herausfinden, wieviel elektrische Leistung ich denn nun erwarten könnte. Meine Eingangsdaten:
Fließgeschwindigkeit: 1,5 m/s (Fußgänger) = 5,4 km/h
Wirkungsgrad: 10 % (rein geraten)
Fläche Wasserradschaufel: 50 x 30 cm2 = 0,15 m2 (ok, wirklich bescheiden)

Damit komme ich auf eine Leistung von nur 25 Watt.
Bei 50 % Wirkungsgrad wären es 125 Watt.
Bei doppelter Fließgeschwindigkeit 8 Mal (2 hoch 3) soviel: 1 Kilowatt!

Hmm, da hatte ich mir mehr erhofft. Aber wie gesagt, es gibt noch Luft nach oben. Man kann alles ein bisschen größer bauen, man kann die oben erwähnten Wasserführungsmaßnahmen einsetzen.

In dem Wikipedia-Artikel wird auch vorgerechnet, dass die Strömgeschwindigkeit im Wasserrad optimal bei 1/3 der Geschwindigkeit im freien Fluss liegen soll, um so viel soll das Wasser also durch den Wasserrad- und Generatorwiderstand belastet werden.


Verankerung

Im einfachsten Fall wird die Anlage an einem Pfahl, der in Ufernähe in den Flussboden gerammt ist, angelascht oder per Kette oder Tau an einem herkömmlichen Anker. Bei größeren Varianten kann man ähnliche Mechaniken wie bei Anlegerpontons (Bilder siehe weiter unten) einsetzen.

Die Anlage liefert umso mehr Leistung, je höher die Fließgeschwindigkeit ist, s. o. In den meisten Fällen müsste man sie dazu eigentlich in der Flussmitte positionieren. Dort herrscht aber Schiffsverkehr, und seien es Paddelboote von Touristen und Freizeitskippern. Wenn es dieser Verkehr denn doch erlaubt, könnte man sich eine automatische Mechanik überlegen, um die Anlage bei Bedarf ans Ufer heranzuholen und anschließend wieder zurück in die Flussmitte zu lassen. Ähnlich wie bei beweglichen Brücken. Das sieht aber nach Aufwand und Störungsanfälligkeit aus. Aber als Idee wollte ich das nicht unerwähnt lassen.


Einsatz

Wo kann man solche Anlagen einsetzen? An ganz kleinen Bächen wohl nicht. Aber schon bei kleineren Flüssen wird es möglich. Und davon haben wir in Deutschland mehrere tausend Kilometer aktive Länge. Davon kann man wiederum nicht die kompletten Ufer vollpflastern, aber da kann schon einiges zusammenkommen. Und an den großen Flüssen, sagen wir ab Größenordnung Main oder Neckar, könnte man auch schon mit größeren Varianten wie Schuten oder Binnenschiffen (s. o.) arbeiten. Da kommt nochmal einiges an Potenzial hinzu. Wie gesagt, das kann nicht mit "richtigen" Großkraftwerken konkurrieren, aber es könnte sich bei einer hohen Anzahl kleiner und mittlerer Installationen schon ein beträchtliches Volumen zusammenläppern.

Und wie das Leben so spielt, jetzt bin ich auf konkrete Beispiele für solche Projekte gestoßen, auf der Elbe, was genau in dieses Konzept passt: "Schaufelrad-Kraftwerk auf der Elbe als umweltfreundliche Alternative". Es soll bei 6 m Breite bis zu 130 Kilowatt erzeugen können. Dieser Artikel diskutiert auch die zusätzlich zu beachtenden Umstände sowie ebenfalls die grundlegenden Vorteile hinsichtlich Umweltfreundlichkeit dieses Ansatzes. – Offensichtlich ein Vorgängermodell ist hier sogar in Tandemausführung (wie oben beschrieben längerer Rumpf mit je einem Wasserrad vorn und hinten) beschrieben: "Fluss-Strom Wachstumskern; Start at 04 -2015" (PDF, engl. Text). In "Referenzanlagen aus dem Netzwerk Technologiekompetenz Fluss-Strom" findet sich eine reich bebilderte Übersicht solcher Projekte, die exakt den oben beschriebenen Konzepten folgen.

Um die Sache weiter zu vereinfachen, habe ich mir überlegt: Gibt es nicht auch Anlagen, die schon den benötigten Schwimmkörper aufweisen, wo man also nur noch das eigentliche Wasserrad dazuflanschen muss? Und genau, so etwas gibt es, und zwar in Form der Anleger-Pontons, wo Schiffe (oder auch Motor- oder Segelboote) anlegen können. (Das muss schon an einem Fluss sein, bei einem Ponton an einem See strömt ja nichts.) Entlang z. B. des Rheins gibt es jede Menge solche Anlegestellen, siehe beispielsweise diese Wikipedia-Bilder: Bild Ponton 1, Bild Ponton 2, Bild Ponton 3. Das Wasserrad müsste dann natürlich auf der Landseite dieser Pontons angebracht werden, auf der Flussseite sollen ja die Schiffe anlegen, und das Rad wäre da im Weg.

Nun könnte man auf die Idee kommen, dass man ja auch auf dem Meer (es muss aber schon die Nordsee sein, auf der Ostsee tut sich kaum was) jede Menge Strömung hat, nämlich bei Flut und Ebbe. Dann könnte man auf diese Weise ein [WP Gezeitenkraftwerk] oder eine [WP Gezeitenmühle] bauen. Aber man verliert leider den Vorteil des Dauerbetriebs. Dagegen hat man deutlich mehr Platz als an einem Flussufer. Es gibt schon Projekte mit Turbinen, die im Meer versenkt werden und sehr effizient arbeiten, allerdings mit erheblichem Aufwand. Man überlegt sogar, auch langsamere Meeresströmungen auszunutzen, ebenfalls mit irrsinnigem Aufwand. Da sehe ich Potenzial für meine simplen Wasserräder, am Boden per Kette oder Tau verankert, die sich automatisch in die optimale Fließrichtung drehen, und das alles mit vergleichsweise geringem Aufwand.

Die konkreten Projekte dieser Art sind allerdings alle weit weg angesiedelt, im stürmischen Nordteil der Nordsee oder im Nordatlantik. Bei uns in Deutschland sehe ich nur sehr wenige Anwendungskandidaten, dabei die Flussmündungen von Weser und Elbe, aber vor allem im Jadefahrwasser zwischen Wilhelmshaven und Hooksiel. Durch diesen Flaschenhals wird praktisch der komplette Jadebusen zweimal am Tag geleert und wieder mit Meerwasser gefüllt. Entsprechend stark ist die Strömung in diesem Flaschenhals. (Diese Strömung hält auch die Fahrrinne für große Schiffe offen, ohne dass man viel baggern müsste.) Die Jade ist hier schon mit diversen Anlegebrücken ausgestattet, sozusagen die oben angeführten Pontons in viel größer. Dort könnte man – immer auf der Landseite von NWO-Tankerlöschbrücke (NWO-Bild) und den neueren Tankerlöschbrücken – ziemlich große Wasserräder installieren. Eine Breite von bis zu 100 Metern könnte ich mir da vorstellen. Wohl nicht an einem Stück, das könnte man in passende Abschnitte aufteilen. Bei dieser Größe kann ich mir Ausbeuten von ein paar hundert Kilowatt vorstellen.

Jade-Fahrwasser: mögliche Wasserräder-Standorte
(Herkunft und Lizenz: OpenStreetMap)


Grün

Wenn so eine Anlage in einer schönen Gegend (jetzt rede ich wieder von einem kleineren Fluss) eingesetzt werden soll, besteht die Gefahr, dass das auf eine Verschandelung hinausläuft. Dem könnte man begegnen, indem man die Anlage mit einem Dach ausstattet und dieses begrünt. Das funktioniert natürlich am besten, wenn die Gesamtkonstruktion niedrig gehalten wird. Dann sieht man von außen nur ein Blumenbeet, das wie ein Hochbeet nahe des Ufers auf dem Fluss liegt. – Und wie gesagt, den Fischen sollte durch so eine Anlage nichts passieren.

Stattdessen läuft das Wasserrad 24/7, ok, bis auf die seltener werdenden Zeiten, wo der Fluss zufriert.






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