Dr. Axenia Schäfer, Ruppichteroth

Mal am Rad drehen

Bau einer Wasserkraftanlage mit dem Wissen, den Worten, Bildern und technischen Zeichnungen von René Hublitz

Im herrlichen Nordhessen, im Schwalm-Eder-Kreis, liegt Niederurff. Und dort wiederum steht die Obermühle, eine Getreidemühle aus dem 15. Jahrhundert, die 1960 ihre Wasserrechte verliert und schließlich ab 1980 langsam verfällt. Bis Katharina und René ­Hublitz 2009 Gebäude und Grundstück kaufen und mit der Sanierung beginnen. Zu diesem Zeitpunkt ist das ein Hektar große Areal mitsamt den maroden Gebäuden komplett zugemüllt, zugewuchert und – je nach Wasserstand der Urff – überschwemmt.

9 Wasserkraft 7Abb. 1: Am Anfang war das Chaos: der Unterlauf des Mühlengrabens (rechts im Bild)

Weil Familie Hublitz von Anfang an mit der Nutzung der Wasserkraft liebäugelt, müssen zuerst neue Wassernutzungsrechte beantragt werden. Wer kein altes Wasserrecht besitzt, bekommt – wenn überhaupt – nur noch befristete Genehmigungen von längs­tens 20 Jahren. Ein Investitionsrisiko, das die beiden in Kauf nehmen. Als die Erlaubnis vorliegt, geht es an die Sanierung der Anlage.

Das Lebensprojekt besteht für längere Zeit nur aus Aufräum- und Wasserarbeiten: Ober- und Unterlauf des Mühlengrabens müssen entrümpelt und freigeschaufelt werden; der Hof wird mit neuen Zu- und Abwasserleitungen sowie Drainage versehen. Meist sind die Lehrerin und der Automatisierungstechniker an den Wochenenden am Werk. Unterstützt werden sie vor allem von René Hublitz‘ Vater, einem gelernten Schlosser, und befreundeten Handwerkern. Um mit wenigen Leuten trotzdem voranzukommen, ersteigern sie einen alten Kran und einen alten Bagger. Insgesamt wird in der Mühle viel Up- und Recycling betrieben: Elektroniksteuerungen, Dachziegel, der Stahl für das neue Mühlrad, Motoren, Balken für Fachwerk, Dachstuhl und Gerinne – irgendwo im Land ist immer etwas übrig, das einer loswerden oder wegwerfen will und das gebraucht werden kann.

Hier soll versucht werden, die Instandsetzung und Nutzung der Wasserkraftanlage zu rekonstruieren – zum einen, damit man weiß, wie es gehen kann, und zum anderen auch zum Mutmachen: Irgendetwas funktioniert immer!

Nach dem Aufräumen kommt der Aufbau: Schütze und Wehre, die nicht nur den Zufluss zu dem Wasserrad regeln, sondern vor allem dafür sorgen, dass ausreichende Wassermengen für den Fischauf- und -abstieg in der Urff verbleiben, sind komplett zu erneuern. Der Untergraben wird aus Bruchsteinen und Sandsteinquadern neu gemauert und der Bereich unter dem Wasserrad betoniert. Ein neues Gerinne für den oberschlächtigen Einlauf in die Schaufeln ist zu zimmern. Das zukünftige Wasserrad muss berechnet und konstruiert werden, und schließlich gilt es, alles an Getriebe und Generator anzuschließen und mit dem Haus und dem großen Netz zu verbinden.

Es wird bei Flutlicht, bei Wind und Wetter draußen gearbeitet. René Hublitz tüftelt am optimalen Rad, verzweifelt fast an den alten Konstruktionsbüchern, bis ihm die modernen Anleitungen von Dr. Dirk Nuernbergk in die Hände fallen. Von jetzt an ist die Rechen­arbeit ein Kinderspiel. Zumindest für den Hausherrn.

Abb.2Abb. 2: Das Höhenprofil des Obergrabens

1. Das Gefälle des relevanten Urffabschnitts messen

René Hublitz vermisst das Gefälle im Obergraben von dem Wehr bis zum Einlaufbauwerk. Im Abstand von 10 m stellt er Fähnchen auf und bestimmt mit einem Nivelliergerät die Höhen des Geländes. Die ideale Steigung, gemessen von dem Wasserrad, beträgt 1,7 cm pro Meter.

2. Die Fließgeschwindigkeit messen

Hublitz entwirft ein eigenes Messgerät, wobei eine kleine Aluminiumstange als Träger der Messeinrichtung verwendet wird. Sie ist am unteren Ende durchbohrt und durch die Bohrung wird eine Schraube gesteckt, sodass sie auf der anderen Seite noch ein Stück herausschaut. Ein kleines Kugellager sorgt für reibungslose Drehung. Eine Karosserieunterlegscheibe dient als Radnabe. Auf diese wird mit Heißkleber eine handelsübliche CD geklebt, die umlaufend kleine Paddel bekommt. An der CD wird außerdem der Geber eines Fahrradtachometers befestigt, und zwar am Stil der Aufnehmer und am Griff das Anzeigeinstrument. Anschließend müssen noch die richtigen Kalibrierungen hinsichtlich des Raddurchmessers vorgenommen werden und fertig ist die „Wassergeschwindigkeitsmess-O-matik“ für unterwegs.

9 Wasserkraft MesserAbb. 3: Strömungsmesser Marke Eigenbau: eine CD, eine Schraube, ein Kugellager, 16 Holzstreifen, eine Unterlegscheibe, ein Fahrradtacho und ein Stab

Wer weniger basteln möchte und es nicht so genau nimmt, kann sich mit einem Korken helfen, den er in einer bestimmten Entfernung von dem Einlauf in das Mühlrad in das Wasser wirft und dann die Zeit stoppt, bis der Stopfen am Einlauf ankommt. Benötigt der Korken beispielsweise für eine Strecke von 500 Metern 100 Sekunden, ergibt sich daraus eine Geschwindigkeit von 5 m/s.

Und wer nicht gern bastelt und es genau nimmt, kann sich einen Flügel-Strömungsmesser zulegen. Bei diesem Gerät ist an einem lotrecht in das Wasser zu stellenden Stab ein kleiner Propeller befestigt, der in die Strömung gedreht wird und dann auf einem Display die Strömungsgeschwindigkeit anzeigt. Man sollte daran denken, verschiedene Messpunkte zu wählen (vom Rand und aus der Mitte) und daraus einen Wert zu mitteln. Die Formel (bei beispielsweise fünf Messpunkten) lautet:

Formel 1

3. Die Durchflussmenge berechnen

Kennt man die Fließgeschwindigkeit sowie die Breite und Tiefe des Gerinnes, kann man die Durchflussmenge nach folgender Formel berechnen:

Formel 2 

4. Die Wasserkraftanlage berechnen

Wasserraddurchmesser: H = 3,2 m

Gesamtfallhöhe: Hges = ca. 3,5 m

Umfangsgeschwindigkeit: Ua ang = 2 m/s (festzulegen im Bereich 1,5–2,2 m/s)

Mittlerer Abfluss: Qmittel = 0,4 m3/s (bei Qmin 0,1 m3/s, Qmax 0,6 m3/s)

Füllfaktor der Zellen: = 0,4 bei 0,4 m3/s bis 0,6 (bei Qmax 0,6 m3/s)

(Zellen nur 40–60% füllen, damit das Wasser möglichst lange darin bleibt. Das wird erreicht, indem das Rad schneller läuft.)

Leistungsermittlung

Leistung mechanisch:

Pmech max = ρwasser · g · Qmax · H · ηWR

Formel 3

Pmech max = 15,1 kW (maximale Leistung an der Wasserradwelle)

wobei

ρwasser = Dichte des Wassers

g = Schwerkraft

Q = Wasserabfluss pro Sekunde

H = Wasserraddurchmesser

ηWR = Wirkungsgrad Wasserrad

Leistung elektrisch:

Pel max = Pmech max · ηMot, Getr

Pel max = 15,1 kW · 0,8

Pel max = 12,1 kW

wobei

ηMot = Wirkungsgrad Motor/Getriebe

P = Leistung

Berechnung der Kranzbreite

Kranzbreite = a

a = 1/6 bis 1/4 H

a gewählt = 0,3 m + 0,05 m (Spritzschutz) + 0,05 m (montagebedingt)

a gewählt = 0,4 m (zellenbegrenzende Wirkbreite = 0,3 m, gebräuchliche Werte sind 0,25 bis 0,4 m) (Kranzbreite des alten Wasserrades: 0,27 m)

Am Kranz werden die Schaufeln befestigt. Der Spritzschutz dient dazu, dass das Wasser, das in die Schaufeln fällt, nicht seitlich wegspritzt.

Radien

Ra = äußerer Radius des Wasserrades

Ri = innerer Radius des Wasserrades

Der Spritzschutz asp = 0,05 m wird bei der weiteren Berechnung nicht berücksichtigt.

Ra = H / 2 = 3,2 m / 2 = 1,6 m

Ri = Ra – a = 1,6 m – 0,35 m = 1,25 m

Wirksamer Innenradius = 1,3 m

Abb.4Abb. 4: Speichen und Wangen des Rades

Drehzahl des Wasserrades

Formel 4

Formel 5 

wobei

n = Drehzahl

Ngew = 12 min–1

9 Wasserkraft 17Abb. 5: Das alte Wasserrad

Ermittlung der Radbreite B
Radbreite bei Qmax  Radbreite bei Qmittel
Formel 6 Formel 8 
Formel 7 Formel 9
B = 1,7 m  B = 1,7 m
Breite des Zulaufgerinnes

b0 = B – 0,2 m (dient der Ventilation des Rades)

b0 = 1,7 m – 0,2 m

b0 = 1,5 m

Drehmoment des Rades

Formel 10 

Formel 11

Mmax = 12016,2 Nm

Maximales Drehmoment am Wasserrad

Drehmoment am Getriebe

Die Übersetzung der Wasserraddrehzahl zum Generator erfolgt in zwei Schritten:

Kettenvorgelege i1 = 2

Stirnradgetriebe i2 = 62,18

Formel 12

Als Drehmoment bezeichnet man die Kraft, die auf einen Körper wirkt, sodass er sich dreht. Er wird in Newtonmetern (Kraft x Meter) angegeben.

Abb 6Abb. 6: In der alten Küchenuhr steckt moderne Überwachungstechnik für die gesamte Wasserkraftanlage.

 

9 Wasserkraft 1Abb. 7: Upcycling: selbstgebaute Steuerungselektronik aus alten Kabeln und Steckverbindungen

Drehmoment am Generator

Formel 13

Drehzahl am Generator

ngen = nWR · iges = 12 min–1 · 124,36 = 1492,32 min–1

Generator gewählt: f = 0–80 Hz > 0–1800 min–1

Vorläufige Teilung der Zellen nach Henne

tz,a = 0,75 · awirk + 0,1 m

tz,a = 0,75 · 0,3 m + 0,1 m

tz,a = 0,325 m

Bestimmung der Zellenanzahl

Formel 14

Z = 31

Zellenanzahl gewählt: 32 > 11,25°

Tatsächliche Teilung der Zellen

Formel 15

Schaufelform gewählt

Mehrfach gekantete Blechschaufeln

Vorteil: günstige Herstellung

Nachteil: leichter Leistungsverlust

Schaufelform

E – F = Stoßschaufel

F – J = Riegelschaufel

Bestimmung der ZellenausformungAS 20

Strecke J – E = 1,25 · tz = 0,393 m

Strecke J – F = 0,43 · tz = 0,135 m

Masse des Wasserrades

Masse des Rades

Formel 16

Formel 17

mWR = 2 943,65 kg

Masse des Wassers

Kammervolumen gesamt = Vges

Vges = B · (π · Ra2 – π · Ri2)

Vges = 1,7 m · (π · 1,62 m – π · 1,32 m)

Vges = 1,7 m · (8,04–5,3 m)

Vges = 4,65 m³

Annahme:

1/4 des Rades komplett gefüllt

1/4 des Rades zur Hälfte gefüllt

2/4 des Rades entleert

Formel 18

Formel 19

VFüllung = 1,74 m³ > ca. 1800 kg

AS 08Abb. 8: Technische Zeichnung der Schaufelanordnung am Kranz

Gesamtmasse des Rades

Mges = 2943,65 kg + 1800 kg = 4743,65 kg

Durch die Fliehkraft, die auf das Wasser im rotierenden Rad wirkt, bildet sich ein Schwerpunkt aus, der nicht mehr in der Radmitte, sondern weiter außen liegt.

Bestimmung des Schwerpunktradius

Formel 20

Formel 21

RS = 1,4 m

9 Wasserkraft 15

Bestimmung der Umfangsgeschwindigkeit im Schwerpunktradius

Dieser Wert sollte zwischen 1,5 und 2,2 liegen, um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Formel 22

Formel 23

Formel 24

5. Der Bau der Wasserkraftanlage

Den Berechnungen von Hublitz liegt das Buch „Wasserräder mit Freihang“ von Dirk Nuernbergk, mittlerweile in der 2. Auflage (Detmold 2014) erschienen, zugrunde.

9 Wasserkraft 18Abb. 10: Hublitz‘ Berechnungen zugrunde liegt das Buch „Wasserräder mit Freihang“ von Dirk M. Nuernbergk, 2. Auflage (Verlag Moritz Schäfer, Detmold 2014).

Das Hublitz‘sche Wasserrad ist ein ober-schläch­tiges Stahlrad mit Freihang: Das Wasser läuft von oben in die Radschaufeln, während der tiefste Punkt des Rades bei normalen Pegelständen das Wasser im Untergraben nicht berührt. Stahl statt Holz zu verwenden, hat den Vorteil, dass die Schaufeln dünnwandig sind und somit Energieverluste durch einen ungünstig auftreffenden Wasserstrahl vermieden werden.

Die meisten modernen Wasserräder sind geschweißt, müssen mit Tiefladern zum Einsatzort transportiert und anschließend mithilfe eines Autokranes montiert werden. Katharina und René Hublitz wollen sich diese sehr teure Logistik sparen und entschließen sich, ihr Rad im Baukastensystem entstehen zu lassen, sodass es leicht vor Ort aufgebaut werden kann. Unkomplizierte Fer­tigung ist ein weiteres handlungsleitendes Kriterium.

Das Rad besteht aus zweimal 32 Schaufel­teilen, 16 Wangensegmenten, 16 Speichen, zwei Radnaben und einer Welle. Die Rad­lagerung wird aus einem ausrangierten Fluggastbrückenfahrwerk gebaut; die Welle besteht aus dem nahtlos geschweißten Führungsrohr einer Fluggastbrücke.

Die Radlagerung

Die Radlagerung verlangt große und pass­genaue Drehteile – sie ist eine sehr wichtige und in der Regel sehr teure Komponente von Wasserrädern. Das Ehepaar Hublitz will die Kos­ten vermeiden, sie schauen sich nach Alterna­tiven um und werden fündig: Auf dem größten deutschen Flughafen werden Fluggastbrücken demontiert. Diese stammen aus den 1970er-Jahren und werden zur Zeit des Wasserradprojektes in großen Stück­zahlen verschrottet. Ein solches Fahrwerk trägt üb­licherweise eine 40-Tonnen-Fluggastbrücke und ist so solide verarbeitet, dass es ohne Vergang ist.

Das Fahrwerk kann von Hublitz kostenneutral erworben und – mittig getrennt – mit dem Autoanhänger geholt werden. In der Mühle werden die Teile neu gelagert, überarbeitet und Flanschplatten zur Montage der Radachse angeschweißt. Die fertigen Lagerböcke erreichen mit Bagger und Kran ihre neuen Standplätze. Praktisch ist auch, dass an den Fahrwerken bereits große Kettenräder für den Antrieb der Brücken montiert sind. Außerdem befinden sich Konsolen an ihnen, auf denen das neue Getriebe platziert werden kann – quasi mundgerecht vorbereitet.

9 Wasserkraft 12Abb. 11: Links ein Lagerbock, in der Mitte die Welle, die rechts in der alten Mühle verschwindet

9 Wasserkraft 8Abb. 11: Links ein Lagerbock, in der Mitte die Welle, die rechts in der alten Mühle verschwindet

Die Wasserradwelle

Die Wasserradwelle besteht aus dem inneren Führungsrohr einer Fluggastbrücke mit Spindelantrieb. Das Rohr ist nahtlos geschweißt und aus hochwertigem Stahl gefertigt. In der Mühle werden alle Anbauteile entfernt, das Rohr wird auf seine fertige Länge geschnitten und Radnaben sowie Flanschplatten werden angeschweißt. Die fertige Welle wird unter Einsatz von Kran und Bagger zwischen die beiden Lagerböcke geschraubt. Die mit Langlöchern versehenen Lagerböcke rutschen durch das Anziehen der Wellenschrauben an ihre endgültige Position. Ein befreundeter Statiker hat im Vorfeld ausgerechnet, dass sich die Welle selbst im Hochwasserfall nicht einmal 1,7 mm durchbiegt.

Das Wasserrad

Das Wasserrad wird so konstruiert, dass es komplett vor Ort aufgebaut werden kann. Alle Einzelteile werden mit Lasertechnik gefertigt, auch die Stahlbleche mit den gesamten Lochbildern werden aus Blechtafeln gelasert. Die hierdurch gewährte Präzision erleichtert die Montage und macht Nacharbeiten einzelner Bohrungen überflüssig. Vor der Montage werden alle Komponenten grundiert und lackiert.
Die Aufteilung der Speichen wird so gewählt, dass jeweils zwei Speichen ein Teilkreissegment des seitlichen Begrenzungsringes tragen. Acht Speichen und acht Teilkreis-Wangensegmente ergeben jeweils einen Außenring. Von denen besitzt das Wasserrad zwei, welche die Schaufeln tragen. Diese bestehen ihrerseits aus zwei Teilen. Das Unterteil ist speziell gekantet und bildet im Verband die innere Trommel. Das zweite Blech formt die Wasserradschaufeln.

Die Schaufel- und Bodenteile besitzen an beiden Enden Laschen, mit denen sie an den Außenringen befestigt werden können. Die Schaufeln werden aus Gründen der Haltbarkeit aus verzinktem Stahlblech gefertigt.
Alle Teile des Rades sind geschraubt. Außer an der Welle gibt es am Rad keine Schweißteile. Vor der Montage werden die Schaufelteile auf dem Hof vormontiert und dann mittels Baukran zum Montageort gebracht. Bei den Schraubverbindungen werden ausschließlich selbstsichernde Muttern verwendet. Schöner Nebeneffekt: Sie geben aus der Seitenperspektive den Anschein einer Nietverbindung und unterstreichen so den historischen Charakter der Anlage.

9 Wasserkraft 11Abb. 13: Getriebe und Generator im Gebäude

Getriebe-​Generator-​Einheit

Ein SEW-Getriebe vom Typ RF103 LT105 mit einem Übersetzungsverhältnis von i = 60 wird Hublitz kostenfrei von einem Flughafen zur Verfügung gestellt. Es war für eine Gepäckförderanlage gedacht, wurde nie verbaut und war bereits auf dem Weg zur Verschrottung. Hublitz klärt vorab, ob die abtriebsseitige Krafteinleitung schadhaft für das Getriebe ist. SEW gibt grünes Licht: Sie ist es nicht. Nun wird nur noch ein Kettenrad gebraucht, das die Anbindung des Getriebes an die Wasserradwelle ermöglicht, und eine Kette. Für das Kettenrad wird ein Normteil eingekauft (Typ 16 B-2 Z38). Die Kennung Z38 gibt Aufschluss über die Zähnezahl des Rades – in diesem Fall 38. Das Kettenrad, das bereits am Wasserradlager vorhanden ist, hat eine Zähnezahl von 76. Somit kann ein Übersetzungsverhältnis von i = 2 hergestellt werden. Die Duplex-Kette wird aus dem Schrott einer Fahrgastbrücke geborgen.
Auch für den Aufbau des Getriebes erweist sich der Bagger als nützlich. Getriebestirn­seitig lässt sich Hublitz eine Stahlplatte lasern, die an das Getriebe angeflanscht wird. Die Platte wird mit zwei Trägern verschweißt, die als Aufnahme für das Getriebe und den Generator dienen. Die gesamte Getriebe-Generator-Einheit lässt sich so auf der Konsole des Lagerbockes montieren, verschieben und ausrichten. Die Flucht der Kette wird über ein Richtscheit eingestellt. Zum Spannen der Kette kann die an der alten Fluggastbrücke vorhandene Technik genutzt werden.

Der fremderregte 12-kW-Synchrongenerator stammt aus einer Wasserkraftanlage. Er wurde von dem Vorbesitzer falsch dimensioniert und kaum gebraucht – günstig für Hublitz. Die Anbindung an das Getriebe erfolgt mittels einer getriebeseitig bereits vorhandenen Klauenkupplung. Die Lagerung des Generators auf dem Träger wird mit Gewindestangen zum Ausrichten der Flucht und Gummipuffern zur Schwingungsreduzierung verwirklicht.

9 Wasserkraft SchaltungAbb. 14: Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten 0,85 x 0,95 x 0,98 x 0,98 x 0,97 = 0,75 Gesamtwirkungsgrad

Lehrgeld

Die Schwingungen sind leider zu stark: Die Gläser im Schrank klirren und die Flurlampe verliert ständig ihren Glühfaden. Als dann zum x-ten Mal die Kette reißt, haben Hublitz 2016 die Nase voll und bauen ein neues Getriebe ein: Zapfen statt Kette. Ein Abtriebsbolzen überträgt jetzt die Kraft von dem Rad mittels Nutenkeil und Klauenkupplung zu dem neuen Getriebe. Die Getriebe-Generator-Einheit sitzt auf speziellen Stoßdämpfungsmatten. Die darunter liegende Betonplatte ist zusätzlich getrennt von dem üb­rigen Boden, damit sich die Schwingungen nicht zu sehr auf Wände und Dachstuhl übertragen. Außerdem lässt ein wenig Spiel die Maschinen ruhiger laufen. Schwingungen – zum Beispiel vom Wasser am Rad oder von winzigen Unwuchten – wollen irgendwo hin. Wenn alles bombenfest angezogen ist, bleiben nur die Wellen als Schwingungsaufnehmer, die in der Folge brechen. Mit ein bisschen Spiel und Gummipuffern auf der Klauenkupplung wird das Material geschont. Auch die Flurlampe hat wieder eine normale Lebensdauer.

Nachdem die neue Anlage ein paar Tage im Probebetrieb läuft, fällt René Hublitz auf, dass das Stirnradgetriebe ziemlich heiß wird, nämlich 78 °C. Diese Wärme lässt sich nutzen! Zuerst installiert er am unteren Teil des Getriebes einen Temperaturmesser, welche die Getriebeöltemperatur an eine SPS-Steuerung übermittelt. Er führt die Ölablassverrohrung weiter und verbindet sie mit einer elektrischen Ölpumpe. Diese pumpt das Öl durch einen Plattenwärmetauscher und wieder zurück in das Getriebe. Gibt die Steuerung nun den Befehl zum Einschalten des Ölkreislaufes, wird parallel eine Heizkreispumpe eingeschaltet. Diese wiederum pumpt Wasser durch die Sekundärseite des Plattenwärmetauschers, kühlt so das Getriebeöl und leitet die Abwärme in den Warmwasserspeicher des Haushaltes.

Bei einem Wirkungsgrad des Getriebes von 95% fallen 5% als Wärme an – bei 10000 Watt Leistung sind das 500 Watt. Die reichen aus, um den Wasserspeicher innerhalb weniger Stunden auf 70 °C aufzuheizen.

AS 15Abb. 15: Schematische Darstellung der Wasserkraftanlage

Die Schieber

Der Lehrschuss steuert das Wasser, das auf das Rad geführt wird. Er besteht aus zwei Schiebern. Ein Schieber leitet das Wasser auf das Rad, der andere Schieber in den Fluss. Über diese Anordnung kann auch der Wasserstand im Obergraben reguliert werden. Sind beide Schieber geschlossen, findet ein Rückstau zur Wehranlage statt. Dies führt zum Überlauf am Wehr, weshalb ein Überfluten der Obergrabenwälle ausgeschlossen ist – zumindest, wenn keine Sintflut eintritt.

Der Aufbau der Schieberanlage erfolgt in drei Schritten: Zuerst wird eine Bodenplatte gegossen, anschließend die Schwellen mit den Schieberausschnitten. Zuletzt werden Portale gefertigt, welche die Schieberklappen tragen. Gesteuert wird das Ganze über zwei Motoren mit Nm-Abschaltung, die ein Bersten der Mechanik bei Vereisung verhindert.

Die Motoren stammen aus dem Rückbau eines Klärwerkes und kosten Hublitz nichts. An den Portalen befinden sich Seilzuggeber, die die Stellung der Schieberklappen kontrollieren, und ein Ultraschallsensor, der den Wasserpegel im Obergraben überwacht. Die Daten der Messaufnehmer können zum Einstellen eines bestimmten, vordefinierten Wasserpegels genutzt werden.

Alle Technik verhindert aber nicht, dass Hublitz je nach Wetterlage (zum Beispiel Stark­regen) bei Tag oder Nacht „in die Urff springen“ müssen, um die Schütze von dem Geschiebe aus Ästen, Baumstämmen und Plas­tiktüten von Hand zu befreien. Eine Wasserkraftanlage braucht eben, anders als eine Photovoltaikanlage, jemanden, der kontinuierlich nach dem Rechten sieht, ein Ohr für ungewöhnliche Geräusche hat und einen Sinn für Störungen im Zusammenspiel der Komponenten.

Das Gerinne

Hublitz entscheiden sich für ein Gerinne aus Holz. Aus ästhetischen Gründen – Holz gefällt. Weil es aber auch sehr witterungsempfindlich ist, soll es sich bei dem Holz um eine möglichst beständige Sorte handeln. Wie praktisch, dass vor der eigentlichen Sanierung einige Bäume weichen mussten, unter anderem eine große Robinie. Hublitz lassen die Stämme durch ein mobiles Sägewerk laufen und lagern die Bohlen auf dem Scheunenboden ab. Die Eichenbalken für das Ständerwerk erhalten sie aus einem Gebäuderückbau.

Die Maße des Gerinnes sind durch das Rad vorgegeben: Die Breite der Rinne ergibt sich bereits bei der Radberechnung und die Höhe folgt dem Raddurchmesser. Einzig der Einlaufpunkt zum Radscheitelpunkt ist nicht ganz klar, da das Wasser bei dem Austritt aus der Rinne – vor dem Einfall in das Rad – einen Bogen beschreibt und das Gerinne deshalb schon vor dem Radscheitelpunkt enden muss. Die rechnerische Auslegung dieses Punktes gestaltet sich schwierig, da er mit der Wassermenge variiert.

Gelöst wurde dieses Problem wie folgt: Hublitz zimmerten zuerst das Ständerwerk auf dem Hof. Nach der Fertigung bauten sie es am Wirkort auf. Zur Auflage der Robinienbohlen konstruierten sie vier U-förmige „Eisengeweihe“, die das Gerinne tragen und zur Höheneinstellung der Rinne dienen. Auch das Ende des Gerinnes zum Rad hin ist verstellbar – und das ist die Lösung für das Einlaufproblem. Mit zwei Linearmotoren betrieben, kann das Ende der Rinne dem Wasserstand angepasst werden. Bei Niedrigwasser wird das Gerinne vorgefahren, was gewährleistet, dass das Rad richtig herum anläuft. Mit steigendem Wasserstand, von einem Ultraschallsensor ermittelt, fährt das Gerinne zurück. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei dem Eintritt kein Fallhöhenverlust auftritt. Das Gefälle des Gerinnes liegt übrigens bei fast 0°, denn das Wasser soll mit möglichst wenig Geschwindigkeit in die Radschaufeln fallen.

9 Wasserkraft 9Abb. 16: Bau des Gerinnes

9 Wasserkraft 6Abb. 17: Gerinne und Wasserrad sind fertig montiert.

6. Die Elektronik

Technikerprojekte werden, ähnlich wie Diplomarbeiten, von ausbildenden Institutionen angeboten. René Hublitz bittet einen befreundeten Lehrer der Oskar-von-Miller-Schule in Kassel um Rat und dieser bietet nach einem Ortstermin gleich an, die Reak­tivierung der Anlage als Technikerprojekt an der Schule vorzustellen.

Einige Wochen später findet sich ein Dreier-Team von Spezialisten zusammen – wohlgemerkt zu einem Zeitpunkt, an dem Hublitz noch nicht einmal an Fahrwerke von Fluggastbrücken oder Schiebermotoren aus Rückbauten denken, sondern vor verfallenen Wassergräben stehen.

Realisiert werden soll eine Anlage, die das Wasserrad in das 21. Jahrhundert rollt. Gleichzeitig sollen die Kosten einmal mehr möglichst gering bleiben. SMA willigt ein, sich zu beteiligen und sponsert die moderne Leistungselektronik; Hublitz bauen die Anlage zu einem Referenzobjekt aus.

Im elektrotechnischen Zentrum stehen Windkraftwechselrichter, die den Leistungsfluss und die Raddrehzahl steuern. Darüber hinaus wird von den drei Spezialisten die gesamte Verdrahtung ausgeführt. Sie schreiben das Steuerungsprogramm und ent­wickeln die dazugehörige Visualisierung, sprich ein Display mit Zahlen.

Neben der Wechselrichteranlage braucht es sogenannte Stromvernichter: Hierbei handelt es sich um Bremswiderstände, die zum Einsatz kommen, wenn das Stromversorgungsunternehmen das Netz abschaltet bzw. bei Stromausfall. Die Widerstände vernichten die Leistung des Wasserrades, bis es anhält.

Die gesamte Anlage wäre mit einigen we­nigen Änderungen in der elektronischen Steuerung und dem Zwischenschalten von Großbatterien inselbetriebsfähig. Aber Hublitz haben sich für die Einspeisung in das Netz aus zwei Gründen entschieden: Erstens ist die Netzstabilität in Deutschland so groß, dass kein anderes System eine kontinuier­lichere Stromversorgung gewährleisten könnte. Zweitens sind Großbatterien ein Umweltproblem, sowohl in der Herstellung als auch bei der Entsorgung.

9 Wasserkraft 5Abb. 18: So sehen handfeste Selbermacher aus: René und Katharina Hublitz. In der gemütlichen Wohnküche klebt noch die Tapete aus den sechziger Jahren – zuerst waren eben Dächer, Wasserrad und Hof dran.

7. Schlussbetrachtung

Die Sanierung und der Bau von Obergraben, Untergraben, Gerinne, Schützen, Wehren und Wasserrad, die Installation und Montage von Getriebe und Generator mitsamt Elektronik dauerten etwa eineinhalb Jahre. Insgesamt stecken 5 bis 6 t Stahl, einige hundert Tonnen Steine und mindestens 50 t Beton in dem Bauwerk sowie 1000 m Kabel (50000 m Einzeladern).

Die Gesamtkosten der Wasserkraftanlage belaufen sich auf 20000 bis 25000 Euro. Davon entfallen allein 10000 Euro auf die wasserrechtliche Erlaubnis mit der zugehörigen Genehmigungsplanung und 3000 bis 4000 Euro auf die Sanierung des unteren Betriebsgrabens.

Bei normalen Wasserständen amortisiert sich die Wasserkraftanlage der Obermühle durch Netzeinspeisung und Eigenverbrauch von Strom in weniger als zehn Jahren.

Quelle: QUICUMQUE – Zeitschrift für autarkes Leben, Ausgabe 3/2017, S. 26–38

9 Wasserkraft 3Abb. 19: Die Obermühle in Niederurff im Schwalm-Eder-Kreis mit ihrem neuen Wasserrad

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