Mini-Wasserkraftwerke

die Geschichte der Heizungstechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
Bosy-online-ABC
Für die Errichtung und Nutzung eines privaten Wasserkraftwerkes muss nach dem Wasserrecht eine Genehmigung vorhanden sein oder eingeholt werden. Die Grundlagen sind im Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und in den Landeswassergesetzen vorgegeben.

So ist z. B. der Anteil der Wasserkraft an der Stromerzeugung in Deutschland ca. 5 %, in Österreich ca. 70 % und in Norwegen 99 %. Vielleicht liegt der Grund für die geringe Nutzung in Deutschland an der Überregulierung durch die Behörden (Wasserbehörden, Wasserwirtschaftsamt, Polizei-, Baugenehmigungs-, Berg-, Gewerbe- und Planfeststellungsbehörden), die Interessenten vor dem Einsatz, besonders bei Mini-Wasserkraftwerken, abgeschreckt werden.
Die Aussage von interessierten Planern ist, dass das Genehmigungsverfahren Jahrzehnte.dauern kann   Wenn da nicht schon früher ein Aufstau war, dann ist die Chance gleich NULL, dass man eine Genehmigung bekommt.
Selbst ein bestehendes Wasserrecht, z.B. an einer Mühle, erlischt automatisch, wenn es 3 Jahre lang nicht genutzt wurde. Und dann ist es extrem schwierig, ein neues Wasserrecht zu bekommen.
Aber vielleicht gibt es andere Erfahrungen, die ich gerne per E-Mail annehme.

Gesetzliche Regelungen und Verordnungen für die Wasserkraft
Deutschland
Auf Bundesebene wurden auf der Grundlage von europäischen Richtlinien (UVP-RL, Flora-Fauna-Habitat (FFH)-RL, Wasserrahmenrichtlinie - WRRL) Gesetze für die Errichtung und den Betrieb von Wasserkraftwerken erlassen. Hierzu gehören:
Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG)
Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)
Wasserhaushaltsgesetz (WHG)
Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG)
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
Schweiz
Bund
Wasserrechtsgesetz (WRG; SR 721.80)
Gewässerschutzgesetz (GSchG; SR 814.20)
Elektrizitätsgesetz (EleG; SR 734.0)
Stromversorgungsgesetz (StromVG)
Verordnung Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPV; SR 814.011)
Kanton
Wasserrechtsgesetz (BWRG; BR 810.100)
Verordnung Wasserrechtsgesetz (BWRV; BR 810.110)
Verordnung Wasser- und Pumpwerksteuern (VWPSt; BR 810.115)
Verordnung Umweltverträglichkeitsprüfung (KVUVP; BR 820.150)
Österreich
Bundeskriterienkatalog-Wasserkraft
Konsequenzen der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie

Wasserkraft ist wirtschaftlich
- Geringe Betriebskosten
- Sehr lange Lebensdauer
- Hohe Betriebssicherheit
- Geringer Wartungsaufwand
- Ausgereifte Technik
- Höchster Erntefaktor aller regenerativen Energien
Wasserkraft macht unabhängig
- von der Energiepreisentwicklung
- von Anschlussschwierigkeiten in entlegenen Standorten
Wasserkraft ist umweltfreundlich
-
Keine schädlichen Rückstände
- Kein Verbrauch wertvoller Rohstoffe
- Wenig Eingriffe in die natürliche Umwelt

Leistungsbereiche:
Kleinstwasserkraftwerke  (Micro) bis 100 kW
Kleinwasserkraftwerke
(Mini): 100 kW – 1.000 kW
Wasserkraftwerke: 1.000 kW – 10.000 kW

Mini-Wasserkraftwerke gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Es gibt Inselsanwendungen, d. h. es ist keine öffentliche Stromversorgung vorhanden. Außerdem wird der Wunsch, Strom zum Eigengebrauch oder/und zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz zu erzeugen, immer aktueller. Natürlich sind solche Lösungen als Beitrag zur CO2-Reduzierung sinnvoll.
Wenn ein Bach oder Fluss durch ein Stauwerk aufgestaut wird, so ist dieses Hinderniss durch entsprechende Fischtreppen zu umgehen.
Ein kurzer Blick in die Vergangenheit:
Wasserräder wurden in Mesopotamien schon vor 5.000 Jahren zum Schöpfen von Wasser eingesetzt. Im 2. Jahrhundert vor Chr. werden einfache Wasserräder (Stoßrad) zum Antrieb von Getreidemühlen eingesetzt. Dabei wurden die Mahlsteine ohne weitere Übertragungselemente direkt an der Welle des Wasserrades angebracht. 100 vor Chr. soll es in Westanatolien wasserbetriebene Kornmühlen gegeben haben. Große Wasserräder sind meist unterschlächtig. Die Wasserräder von Mühlen in Mitteleuropa sind meistens oberschlächtig.. Damit erzielten sie einen größeren Nutzeffekt, da nicht nur die Strömungs-, sondern auch die Fallenergie des Wassers ausgenutzt wurde. Die Wasserkraft inform von Wasserrädern setzt sich als Antriebsquelle für die verschiedensten Anwendungen im Mittelalter bis ins 19. Jahrhundert immer mehr durch. Ab 1830 werden die Wasserräder zunehmend durch leistungsstärkere Maschinen (Turbinen) ersetzt.

Kleinkraftwerk - Wassermühle
Warum ist eine Technik, die sich jahrhundertelang bewährt hat, in Vergessenheit geraten? Bei diesen Bauwerken treibt fließendes Wasser ein Rad an, dass über eine Welle, z. B. Mühlsteine, drehen lässt. Vor einigen Jahrzehnten gab es auch entsprechende Wassermühlen, die ein Generator zur Stromerzeugung genutzt haben. Durch die aufkommende Technik (Dampfmaschine, Staudämme) kam diese relativ einfach Technik aus der Mode. Inzwischen wird die Entwicklung neuer Wasserräder für kleine, dezentrale Strommühlen durch die EU wieder gefördert. Leider sind die Genehmigungsverfahren solcher Anlagen sehr aufwendig, sodass viele Interesssenten abgestoßen werden. Aber auch Windmühlen haben sich, ein wenig umgebaut zu Windkraftanlagen, inzwischen wieder durchgestzt. Warum soll das bei den Wassermühlen nicht auch machbar sein?
Wasserrad mit integriertem Generator
Quelle: Hartmuth Drews Ing. (grad.)
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Bau eines Wasserrades - Fa. Drews

 

Bei dem Stoßrad sind die Schaufeln horizontal in den Fluß eingetaucht. Dadurch wird nur die Bewegungsenergie des Wassers genutzt. Dieses Prinzip ist schon seit dem 2. Jahrhundert vor Chr. bekannt.
Diese ersten Wassermühlen wurden in unterschlächtiger Ausführung betrieben. Dabei schlägt das Wasser von unten an das Schaufelrad. Die Drehung des Mühlrades wird nur durch die Strömung des Wassers erreicht. Bei den einfachen Räder bestehen die Schaufeln aus Holzbretter, die inzwischen durch speziell gebogene Blechschaufeln einenbesseren Wirkungsgrad erzielen.
Bei den mittelschlächtigen (rückschlächtigen) Wasserräder wird das Wasser auf Nabenhöhe zugeführt. Sie können als Zellenrad oder Schaufelrad gebaut werden.
Bei den oberschlächtigen Mühlen wird das Wasser von oben auf das Rad zugeführt. Damit das Wasserrad betrieben werden kann, muss immer ausreichend Wasser und ein genügend großes Gefälle vorhanden sein. Das Wasserrad besteht aus wasserdichten Zellen (Holzbrettern oder Metall) und wird deswegen auch Zellenrad genannt. Das Rad wird durch die Gewichtskraft des aufgenommenen Wassers (Aufschlagwasser) in Bewegung versetzt. Wenn das Rad stillstehen soll, wird das Wasser am Rad vorbeileitet.

Quelle der Abbildungen: Tropfsteingrotte Alaunwerk Mühlwand-Reichenbach e.V.

Wärmepumpe mit Flusslauf
Quelle: Jura Kälte GmbH

Wärmepumpe mit Flusslauf

Heizen mit Wasserkraft
Viele Firmen im Heizungsbau verwenden “normale” Wärmepumpen, um die Wärme aus fließenden Gewässer abzupumpen. Eine Entscheidung, die oft zu schlechten Ergebnissen führt. Bei der Nutzung von Oberflächenwasser sollte der Verdampfer im Flussbett liegen, hierbei ist der höchste Wirkungsgrad zu erzielen. Bei manchen Anlagen mit besonderen Wärmetauscher ist auch eine Solemaschine noch vertretbar, die Antriebskosten der Sole und der zusätzliche Wärmetauscher verschlechtern aber den Wirkungsgrad.
Für Objekte, die ein eingetragenes Wasserrecht mit Staustufe besitzen, lohnt sich in jedem Fall eine Sonderanlage, eine Maschine die nicht nur die Wärme eines Baches nutzt sondern auch seine Arbeitskraft! Angetrieben mit Wasserkraft, benötigt eine Wärmepumpe nur noch den Strom für die Regelung und der ist mit ca. 40,- € jährlich selbst für große Objekte noch hoch angesetzt.

Quelle: Jura Kälte GmbH

Archimedische Schraube
Quelle: Wilo SE
Archimedische Schraube
Archimedes von Syrakus (287-212 v. Chr.), der wohl größte Mathematiker und Wissenschaftler des Altertums, beschreibt um 250 v. Chr. die nach ihm benannte Archimedische Schraube. Durch die Drehung einer Spirale/Schnecke in einem Rohr wird Wasser nach oben gehoben. Allerdings floss immer eine Menge Wasser zurück, da noch keine gute Abdichtung bekannt war. So entstand eine Abhängigkeit zwischen der Schraubenneigung und dem Förderstrom. Im Betrieb konnte zwischen einer größerer Menge oder größerer Förderhöhe gewählt werden. Je steiler die Schraube gestellt wurde, umso höher förderte sie bei abnehmender Liefermenge.
Da mit menschlicher oder tierischer Kraft die Förderleistungen nicht ausreichten, wurden die Archimedischen Schrauben (Schneckentrogpumpen) mit der Energie des Windes angetrieben. Hier war z. B. die Fluttermühle („Tjasker“ in den Niederlanden) der kleinste Typ der Schöpfmühle. Die archimedische Schraube direkt auf der Mühlenachse und das Wasser konnte in den oberen Graben gehoben werden. Von dort wurde es über einen Steg weitergeleitet.

Diese Archimedische Schraube und die Schwengelpumpe wurde am Strand von Tönning aufgebaut.
Mit dieser Anlage können Kinder (aber auch Erwachsene) die Funktion der Pumpe und einer Archimedischen Schraube spielend kennenlernen.


Schema - Wasserkraftschnecke

Wasserkraftschnecke
Quelle: ANDRITZ Atro GmbH

Schraubenturbine
Quelle: EmoWa UG (haftungsbeschränkt) & Co. KG

Durch die energetische Umkehrung der Arbeitsweise wird die Archimedische Schraube (Schneckentrogpumpe) zu einer Kraftmaschine (Wasserkraftschnecke) zur Energiegewinnung.
Die Wasserkraftschnecke (Schraubenturbine) hat minimale  Umgebungsstörungen, ist umweltfreundlich (keine Flussbettveränderung, hohe Fischverträglichkeit) und hat eine lange Lebensdauer. Bei Schluckvermögen von 0,1 bis zu 5,5 m3/s und einer Fallhöhe von bis zu 10 m wird sie für die Nutzung von Wasserkräften eingesetzt, für die Turbinen aus Kostengründen ausscheiden. Außerdem kann bei dem Einbau in einen Flusslauf meistens auf eine Veränderung des natürlichen Flussbettes verzichtet werden. Durch die Anordnung des Generatorbereiches oberhalb des Zulauf-Wasserniveaus ist kein wasserdichtes Generatorhaus notwendig.
Vorteile von Wasserkraftschnecken:
- Robust, verschleißfest, störungsfrei
- Keine Reinigung, wenig Wartung
- Fischfreundlich
- Keine Regelung bei unterschiedlichem Wasserzulauf
- kein Frequenzumrichter, kein SPS erforderlich
- Die Treibgutproblematikals und ein schadloser Fischabstieg sind gleichzeitig gelöst
- Der Wirkungsgrad ist höher als bei vergleichbaren Wasserrädern und liegt auf dem Niveau von Niederdruckturbinen
- Wasserkraftschneckenanlagen zeichnen sich durch Einfachheit und  Robustheit aus, ohne jedoch auf die guten Wirkungsgrade und somit  auf einen hohen Jahresertrag verzichten zu müssen

Wasserkraftschneckenanlagen - ANDRITZ Atro GmbH

Schraubenturbine - EmoWa UG (haftungsbeschränkt) & Co. KG

 

 

 


Linöwsche Wasserkraftwerkanlage
Dieses Mini-Wasserkraftwerk des russischen Erfinders Nikolaj Iwanowitsch Linöw ist für fließende Gewässer entwickelt. Es braucht keine Staudämme und auch keine Kanäle oder Röhren. Da die Drehgeschwindigkeit (50 Umdrehungen pro Minute) relativ klein ist, ist der Verschleiß sehr gering.
Die Anlage besteht aus einem ca. 2 m breiten Anlagenblock und kann praktisch in jedem Gewässer mit Fließwasser verwendet werden. Auch Flüsse mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit sind geeignet.

Prinzip - Linöwsche Wasserkraftwerkanlage

 

Linöwsche Wasserkraftwerkanlage
Quelle: Nikolay I. Lenew
Die Wasserkraftwerkanlage besteht aus folgenden Komponenten:

• ein Block (Gehäuse, Platten, Kettenräder, Ketten)
Platten - sind flach und gerade - Länge und Höhe - 78 x 500 mm - Winkel von 45 Grad
Kettenrad
Durchmesser - ab 35 cm
Kette
Kette mit Schritt 31,75 mm - Bruchkraft 2300 kN
• ein Drehmomentvervielfältiger
• ein Generator

Variante A: So wurde eine kleine Partie (10 Blöcke) auf einem Werk gefertigt (Handarbeit). Die betriebsfähige Anlage (für eine Flussgeschwindigkeit 1m/s) mit Generator für 10 kVA. Abmessungen des Blockes: 1,5 x 1,0 x 0,5 m.
Wenn die Flussgeschwindigkeit an die 0,1 m/s geht, dann sind zwei solcher Blöcke notwendig, die hintereinander gestellt werden. Der Generator wird nur an den hinteren Block angeschlossen. Der vordere Block dient in diesem Fall zur Beschleunigung des Wasserstromes, da bei dieser Konstruktion die Wassergeschwindigkeit am Ausgang eines Blockes höher ist als am Eingang. Auf diese Weise werden in einem stillen Fluss auch 10 kVA gewonnen.
Variante B: Die Anlage, die z. Z. in Sanaksari gebaut wird, ist für 50kVA konzipiert. Die Fließgeschwindigkeit dort beträgt 0,5 m/s. Und es werden zwei Blöcke verwendet, die 6 m breit sind. Sie werden auch hintereinander aufgestellt.
Die Konstruktion ist sehr leicht zu bauen. Diese Linöwsche Wasserkraftwerkanlage darf für private Zwecke nachgebaut werden. Die gewerbliche Herstellung und der Vertrieb muss mit dem Erfinder nach dem Patentrecht geregelt werden. Quelle: Russlandforum - Anonymous

Picokraftwerk
In Regionen ohne öffentlichem Versorgungsnetz werden u.a. Pico-Wasserkraftwerke zur Stromerzeugung eingesetzt (Inselanwendung). Die nutzbare Leistung wird durch die hydraulischen Parameter, Wassermenge und Nettofallhöhe bestimmt.
Pelton-Turbine
Eine Pelton-Turbine hat eine horizontale Laufradanordnung. Der Abfluss erfolgt über ein Rohr auf dem die Turbine platziert ist. An den Bajonettkupplungen wird die Wasserzuleitung angeschlossen. Je nach der vorhandenen Wasseremnge sind bis zu drei Düsen möglich. Das Wasser verlässt die Turbine drucklos.
Diese Kraftwerke werden sehr kompakt und wartungsfrei ausgeführt.
Anwendungsgebiete
  •  Energieversorgung für Alpen
  •  Berghütten und Jagdhütten
  •  Wochenendhäuser
  •  Datenmessstationen
  •  Entwicklungsländer
Eigenschaften
  •  hoher Energieertrag durch Dauerbetrieb 8760 h/Jahr
  •  Einfacher, robuster Aufbau
  •  wartungsarm, keine Verschleißteile
  •  trinkwassergeeignet
  •  leicht anpassbar
  •  sehr gut mit Photovoltaik kombinierbar
  •  geringes Gewicht
  •  guter Wirkungsgrad
  •  preiswert
Anlagenschema
Quelle: Peter Maurer
Pico-Wasserkraftwerk selbst gebaut
Ob Sie Ihr Ferienhaus oder Alphütte elektrifizieren wollen oder ob einfach die Rechnung des Elektrizitätswerkes verkleinert werden sollte: Ein Wasserkraftwerk eignet sich für beides. Die Anlage wird jedoch unterschiedlich aussehen.
Wird eine alleinstehende Alphütte mit Elektrizität versorgt nennt man das Inselbetrieb. Wird jedoch der Strom ins öffentliche Netz zurück gespiesen, nennen wir es Netzbetrieb.
Im Inselbetrieb konkurriert das Wasserkraftwerk im Preis mit den Kosten einer Zuleitung vom öffentlichen Netz oder dem Preis für eine Solaranlage. Wenn jedoch die Wasserverhältnisse ausreichen, ist ein Picokraftwerk meistens die günstigste Möglichkeit.
Im Netzbetrieb spielt die Wirtschaftlichkeit eine zentrale Rolle. Interessant wird es vor allem, wenn die Leistung selber verbraucht wird. Dann kann man den Preis pro kWh in die Kalkulation einbeziehen, den man selber bezahlen müsste. > weiter

 Wasserwirbelkraftwerk
Grundlage diese Kraftwerkes ist eine neuartige Wasserwirbelturbine. Diese entzieht dem mächtigen Wasserwirbel Rotationsenergie und treibt einen Generator an.
Wasserwirbelkraftwerk
Quelle: ZOTLOETERER SMART-ENERGY-SYSTEM
Anwendungsbereiche:
  •  Energiegewinnung aus Wasserkraft an Standorten mit geringer Fallhöhe
  •  Energiegewinnung aus Wasserkraft an ökologisch sensiblen Fließgewässern
  •  Kleinwasserkraftwerkstechnologie im Leistungsbereich von einigen kW bis etwa 150kW
  •  Nutzung der Wasserkraft in Kläranlagen
  •  Als Ökostrom produzierender Fischauf- und -abstieg
  •  Als Ökostrom produzierendes Restwasser-dotierungsmodul ohne zusätzliche Fischaufstiegshilfe

Schwimmendes Flusskraftwerke
Schwimmendes Flusskraftwerk
Quelle: Wasser- und Elektrizitätswerk der Gemeinde Buchs SG
Mit einem speziellen Wasserrad, das die Firma Lippuner EMT Grabs nach den Plänen des EWB gebaut und finanziert hat, wird die Strömungsenergie des Wassers in eine Drehbewegung umgeformt. Das Wasserrad hat einen Durchmesser von 1,8 Meter und eine Länge von ebenfalls 1,8 Meter. Die Schaufeln, ......> mehr
 
Quelle: Smart Hydro Power GmbH

Mit der Smart Hydro Power Turbine wird die elektrischer Energie mit der kinetischen Energie des fließenden Wassers produziert wird. Da sie mit der kinetischen Energie des Wassers und nicht mit der potentiellen Energie angetrieben wird, ist es eine sog. "Zero-Head"- oder "In-Stream"-Turbine. Das bedeutet, dass keine Staudämme und kein Gefälle nötig sind, so dass der Flusslauf nicht beeinflusst wird und keine hohen Investitionen in Infrastruktur notwendig sind.
Die Turbine besteht hauptsächlich aus HDPE, Aluminium und rostfreiem Stahl und einem dreiblättrigen Rotor, einem 5 kW-Generator, dem Schwimmkörper und einem dreiteiligen Diffusor.
Der patentierte Schwimmkörper (Diffusor und Schwimmer) passt sich an die Wasserbedingungen an. Der Diffusor hat zwei Hauptfunktionen. Die erste erhöht den Wasserdruck auf den Rotor und minimiert die Turbulenzen innerhalb des Diffusors, wodurch ein maximaler Ausgangsstrom erzeugt wird. Die Zweite Funktion sorgt für eine stabile Schwimmlage des Generators im Wasser.

Im Kern der Smart Hydro Power Turbine ist ein horizontal-gelegener Permanent Magnet Unterwasser Generator eingebaut. Es wurde ein langsam drehender Generator gewählt damit kein Sog vor der Turbine entsteht und die Fischfreundlichkeit dadurch erhöht wird.
Die drei Rotorblätter bestehen aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff. Dieses Material sorgt dafür, dass die Rotorblätter auch bei einer hohen Fließgeschwindigkeit zuverlässig arbeiten.
> mehr


Fließwasserturbine
Fließwasserturbine
Quelle: EmoWa UG (haftungsbeschränkt) & Co. KG
Dieses Laufwasserkraftwerk benötigt keine Querverbauungen und Feinrechen. Durch die spezielle Bauart wird der Fischbestand in den Gewässern nicht gefährdet. Abhängig von der Fließgeschwindigkeit (ab 2,5 m/s) des Gewässers kann eine Turbine zwischen 0,5 und 300 kW Strom produzieren. Der Strömungswandler kann auch in einem großen Fließgewässer unter einem Ponton und in Fließgewässern ohne Gefälle mit entsprechender Wassergeschwindigkeit eingesetzt werden. > mehr
 
Kleinstwasserkraftwerk
Die Einsatzbereiche der Kleinstwasserkraftwerke sind Berghütten, Alphütten, Ferienhäuser und vom öffentlichen Stromnetz nicht erschlossenen Gebäude, welche aber mit Wasser versorgt sind, oder über eine Quelle mit ausreichender Wassermenge verfügen.
Die Turbinen (Pelton-Turbine, Ossberger-Turbine, Pico Hydro-Turbine, Harris-Turbine, Gilmartin-Patent) dieser Kraftwerke bieten sich für den Hybridbetrieb (Inselversorgung) mit Windkraftanlagen und Photovoltaik an.

Aus der Fallhöhe und der Wassermenge kann die theoretisch zur Verfügung stehende Leistung berechnet werden. Über die Formel

P (W) = Q (l/s) x H (m) x 9,81
lässt sich die theoretische Wasserenergie in Watt errechnen. Diese Formel bezieht sich auf 100 % Wirkungsgrad ohne Verluste. Je kleiner Nutzhöhe und Wassermenge und damit die Wasserkraftanlage wird, desto geringer wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage.
Beispiel:
Ein Gebirgsbach liefert eine nutzbare Wassermenge von 3 l/s bei einer Nutzhöhe von 40 m.
P = 3 l/s x 40m x 5,5 = 660 W = 15,8 kWh/Tag
Es können also dauerhaft 660 W elektrische Leistung erzeugt werden. Da aber einige elektrische Verbraucher wesentlich mehr als 660 W Leistung beziehen, muss die Kraftwerksleistung in Bleiakkumulatoren zwischengespeichert werden. Über einen Sinus-Wechselrichter kann dann die Speicherbatterie mit einer vielfach höheren Leistung als der Kraftwerksleistung belastet werden. Quelle: Kleinstwasserkraft Klopp

Pelton-Kompakt-Turbine II
Quelle: Kleinstwasserkraft Klopp

24 V Kleinstturbine
Quelle: Müller - Turbinen Wasserkraftwerke


Bild aus dem Gilmartin-Patent
Quelle: Achmed A. W. Khammas


tragbare Micro-Hydro Turbine
Quelle: Phocos AG


OSSBERGER-Turbine
Quelle: OSSBERGER GmbH + Co


Harris Hydro Turbine
Quelle: Homepower Equipment

Berechnung der Turbinenleistung (Ausbauwasserhöhe + Nettofallhöhe) - Wiegert & Bähr Maschinenbau GmbH
Mini-Wasserkraftwerke - Energie für den Hausgebrauch -- Video


1- düsige W&B Peltonturbine
Quelle: Wiegert & Bähr Maschinenbau GmbH

Energierückgewinnung (ERG) in Trinkwassersystemen

Zur Rückgewinnung elektrischer Energie in Trinkwasserversorgungsanlagen werden für größere Leistungen seit langem Wasserturbinen erfolgreich eingesetzt. Für kleinere Leistungen wurden aus wirtschaftlichen Gründen meist rückwärts laufende Pumpen gewählt. Diese haben aber nur in einem eng begrenzten Fallhöhen/Wassermengenbereich einen guten Wirkungsgrad.
Die Firma Wiegert & Bähr die bewährte W&B Peltonturbine weiterentwickelt und eine Baureihe auf den Markt gebracht, mit der sich auch Leistungen im 2-stelligen Kilowattbereich wirtschaftlich nutzen lassen.

Energierückgewinnung in Trinkwassersystemen - Wiegert & Bähr Maschinenbau GmbH

 


Unterschiedlicher Wirkungsgradverlauf von Turbinen und rückwärts laufenden Pumpen
Die Grafik zeigt den typischen Wirkungsgradverlauf von Pumpen und Turbinen. Wiegert & Bähr Turbinen haben Regelorgane zur Anpassung an die gewünschte Wassermenge und können in einem großen Bereich mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.

Wie das Trinkwasser aus dem Harz Strom produziert
Mit "Trinkwasserkraftwerken" beschäftigt sich auch Rüdiger Müllerin seinem Aufsatz "Energiegewinnung aus der Trinkwasserversorgung in Braunschweig" in der ENERGIE-WASSER-PRAXIS 12/2012, S. 78-80. Braunschweig bezieht sein Trinkwasser aus zwei Talsperren der Harzwasserwerke über eine 36 km lange Fernleitung. Das Harzwasser kommt in Braunschweig mit einem hohen Druck von 13 bar an. Über Druckminderungsventile wurde bislang der Druck auf 5,3 bar abgebaut. Dabei wurde in der Vergangenheit Energie "vernichtet". Jetzt hat BS|Energie (die zu VEOLIA gehörenden Stadtwerke von Braunschweig) zur Druckminderung eine rückwärtslaufende Pumpe mit einer Leistung von 200 kW eingebaut. Bei einer durchschnittlichen Durchlaufmenge von 300 Liter Fernwasser pro Sekunde können damit jährlich rund 1,3 Mio. kWh Strom produziert werden. Das reicht rechnerisch aus, um 370 Haushalte mit einem Durchschnittsverbrauch von 3.500 kWh/a mit Strom zu versorgen. Zur Debatte stand auch der Einbau einer Turbine, die einen besseren Wirkungsgrad als eine rückwärtslaufende Pumpe aufweist - aber: "Der etwas geringere Wirkungsgrad einer Pumpe im Vergleich zu einer Turbine wird durch die erheblich günstigeren Investitionskosten ausgeglichen."
Die 13 Mio. Kubikmeter Fernwasser, die Brauschweig aus dem Harz bezieht, werden gleichmäßig über den Tag bezogen. Um die Verbrauchsschwankungen auszugleichen, verfügt BS/Energie über einen großen Pufferspeicher. Das beeindruckende Speichervolumen wird zu Schwachlastzeiten (in der Regel nachts) aus dem Netz wieder aufgefüllt. Mit einer rückwärtslaufenden Pumpe kann dabei der Netzdruck von etwa 4 bar abgebaut werden. Aus dem Druckabbau der 2,3 Mio. Kubikmeter, die jährlich in den Behälter laufen, können noch ein Mal 90.000 kWh im Jahr produziert werden. Damit können rechnerisch weitere 26 Haushalte mit äußerst CO2-armem Strom versorgt werden. Quelle: BBU-WASSER-RUNDBRIEF Nr. 1010 - Rüdiger Müller - BS/Energy

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Wasserkraft im Trinkwassersystem der Stadtwerke Iserlohn
Die Stadtwerke Iserlohn haben am Hochbehälter Ostfeld eine Anlage zur Energierückgewinnung in Betrieb genommen. Der Hochbehälter dient der Trinkwasserversorgung. Der Höhenunterschied von etwa 57 m wird nun für die Energierückgewinnung genutzt. Das Trinkwasser fließt durch eine als Turbine umgebaute Pumpe mit Asynchronmotor,der als Generator eine Leistung von 6 kW aufweist. Jährlich sollen so etwa 40 000 kWh Strom erzeugt und ins Stadtwerkenetzt eingespeist werden. Die Kosten sollen durch die Erlöse aus der Stromgewinnung innerhalb von fünf Jahren refinanziert sein. Quelle: Dipl.-Geogr. Stefan Prott - EnergieAgentur.NRW

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Inbetriebnahme von Gegendruck-Turbine
Das Wasserwerk Azienda Acqua Potabile Gordola erhielt für seine nachhaltige Wasserversorgung 2010 die Auszeichnung Watt d’Or in der Kategorie "Gesellschaft".
Nach der Optimierung der Wasserversorgungsanlage soll nun das Energiepotential genutzt werden, das durch Gefälle entsteht. Dazu wurde das vor über 50 Jahren gebaute Wasserversorgungsnetz umgestaltet und eine einzige Wasserleitung mit 255m Höhenunterschied, die ideale Voraussetzung für ein Kleinkraftwerk, geschaffen. Im März 2012 wurde in der Trinkwasserversorgung von Gordola die erste Gegendruckturbine (Pelton) im Tessin in Betrieb genommen, um das beträchtliche Energiepotenzial im Trinkwassersystem zu nutzen.
Die Nutzung dieser Energiepotenziale mit normalen Peltonturbinen, wo das Wasser nach der Energieabgabe an den Generator durch die Schwerkraft in ein untenstehendes Becken fliesst, weist einige Nachteile auf, die mit der Gegendruckturbine überwindet werden können. So gelangt das Wasser im Falle der Gegendruckturbine nach der Turbinierung in einen zylinderförmigen und geschlossenen Behälter, in dem ein Druckluftpolster dafür sorgt, dass das Turbinenrad frei drehen kann. Dieses Druckluftpolster wird mit einem Kompressor aufgebaut und reguliert. Das turbinierte Wasser wird mit der Restenergie auf die höhere Ebene des bestehenden Trinkwasserbehälters zurückführt. (Auszug - mehr >) Quelle: ee-news.ch - eecomm GmbH


PowerFluid - Mini-Kraftwerk in einer Wasserarmatur
powerFLUID-Wasserarmatur
Wirkprinzip
Quelle: wbk - Informationsdienst Wissenschaft e. V.

Automatische Armaturen benötigen Strom, damit die Lichtschranke den Wasserfluss auslösen kann. Dieser Strom kommt bisher aus dem Stromnetz oder aus einer Batterie. Doch schon bald könnten automatische Armaturen in Serie gehen, die ihren eigenen Strom erzeugen. PowerFluid heißt das Projekt, an dem ein Armaturenhersteller mit Projektpartnern arbeitet. Das Ziel ist, eine Armatur zu entwickeln, die ihre eigene Energie erzeugt.

Das PowerFluid Prinzip nutzt die Energie, die das Wasser beim Abfließen selbst erzeugt. Dies ist vergleichbar mit der Stromerzeugung in einem Wasserkraftwerk, bei dem fließendes Wasser eine Turbine antreibt. Der erzeugte Strom wird dann in einen neu entwickelten Speicher geleitet, aus dem die Energie für die elektrische Steuerung und das Magnetventil entnommen wird. Eine zusätzliche Solarzelle liefert die Energie für den Sensor zur Betätigung. Auf diese Weise ist die Armatur auch über Jahre vollkommen unabhängig von externen Stromlieferanten. Ein Netzanschluss oder eine Batterie sind nicht mehr nötig. Das spart nicht nur Energie, sondern vermeidet auch die aufwändige und umweltschädliche Entsorgung von Batterien. Damit bietet die PowerFluid Technologie gerade im öffentlichen Bereich, wo viele automatische Armaturen im Einsatz sind, deutliche Vorteile hinsichtlich der Wasser- und Energieeinsparung gegenüber herkömmlichen Armaturen.

 

 

 


HydroPowerTechnik
Eine Alternative zur Zündflamme ist die HydroPowerTechnik. Hier wird das Gas über einen Strom aus einer Wasserturbine im Kaltwasserzulauf gezündet.
Die Funktion der HydroPowerTechnik ist mit einem Mini-Wasserkraftwerk vergleichbar, das mit einer Turbine Strom erzeugt.

Der hydrodynamische Generator ist im Kaltwasserzulauf der Gas-Warmwasserwärmers eingebaut. Der Zündstrom zum Zünden des Gasbrenners wird nach dem Öffnen der Zapfstelle durch das fließende Wasser erzeugt.

Durch diese Technik können auch Geräte mit Gebläseunterstützung auf eine ständig brennende Zündflamme verzichten. Mit diesem Verfahren lässt sich der Gasverbrauch um 25 % reduzieren.

 
 
HydroPower-Technologie
Wirkprinzip der Turbine
Quelle: Junkers/Bosch Thermotechnik GmbH

Wasserbehörden
Die Wasserbehörden sind für den Vollzug des Wasserhaushaltsgesetzes und der Wassergesetze der Länder verantwortlich. In größeren Bundesländern einen dreistufigen Verwaltungsaufbau. Im Saarland und Schleswig-Holstein gibt es nur einen zweistufigen Verwaltungsaufbau.. Die Stadtstaaten Berlin, Bremen und Hamburg haben eine andere Verwaltungsorganisation. Zur fachtechnischen Beratung der unteren Wasserbehörden sind Wasserwirtschaftsamt als technische Fachbehörden bestimmt. Neben den eigentlichen Wasserbehörden können für den Vollzug der Wassergesetze auch die Polizei-, Baugenehmigungs-, Berg-, Gewerbe- und Planfeststellungsbehörden zuständig sein.
Je nach Bundesland kann die Wasserbehörde zwei- oder dreistufig sein.
- oberste Wasserbehörden > Umweltministerien der Länder
- obere Wasserbehörden, > Landesämter, Landesverwaltungsämter oder Regierungspräsidien
- untere Wasserbehörden > Verwaltungen der Landkreise und kreisfreien Städte

Die Aufgaben der Wasserbehörden können regional voneinander abweichen. Sie sind die Genehmigungsbehörde für
- Abwasseranlagen /Kläranlagen/Kleinkläranlagen
- Teichanlagen
- Abwassereinleitungen/Niederschlagswassereinleitungen
- Bauliche Anlagen in und an Gewässern
- Ausbau und wesentliche Umgestaltung (in geringem Umfang) von Fließgewässern
- Gewässernutzungen (Entnahme aus Oberflächengewässern)
- Ausnahmezulassungen in Wasser- und Heilquellenschutzgebieten
- Grundwasserhaltungen (vorübergehender Natur)
Zulassung von Einzelmaßnahmen in Überschwemmungsgebieten
Sie gilt als Aufsichts-/Vollzugsbehörde für
- Kläranlagen
- Wasserversorgungsanlagen
- Gewässeraufsicht (Teichanlagen, Fließgewässer)
- Anzeigen von Privatbrunnen
- Überschwemmungsgebiete
- Wasserschutz- und Heilquellenschutzgebiete
- Lageranlagen (auch private Heizölanlagen)
- Bodenverunreinigungen in geringem Umfang
- Abwasserabgabengesetz
- Abwasserkataster
- Eigenkontrollverordnung

Hinweis! Schutzrechtsverletzung: Falls Sie meinen, dass von meiner Website aus Ihre Schutzrechte verletzt werden, bitte ich Sie, zur Vermeidung eines unnötigen Rechtsstreites, mich umgehend bereits im Vorfeld zu kontaktieren, damit zügig Abhilfe geschaffen werden kann. Bitte nehmen Sie zur Kenntnis: Das zeitaufwändigere Einschalten eines Anwaltes zur Erstellung einer für den Diensteanbieter kostenpflichtigen Abmahnung entspricht nicht dessen wirklichen oder mutmaßlichen Willen. Die Kostennote einer anwaltlichen Abmahnung ohne vorhergehende Kontaktaufnahme mit mir könnte daher im Sinne der Schadensminderungspflicht als unbegründet zurückgewiesen werden.
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