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• Teil DMein bevorzugtes Konzept der Energiegewinnung, das auf der Wirbelbewegung beruht
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TEIL C

Wasserkraftwerke

Wie bereits erwähnt ist elektrische Energiegewinnung ‚aus Wasser’ problemlos, sauber und billig. Da das Prinzip der Wasserturbine schon über 150 Jahre alt ist, liegen in diesem Bereich langjährige Erfahrungen vor, die dieses System haben ausreifen lassen. Und da der Fluß des Wassers in die Berechnungen als ‚kostenloser’ Aktivposten aufgenommen wird, beschränkt sich die Investition bei hydroelektrischen Anlagen auf die einmal errichteten Systeme nebst derer – meist relativ einfachen – Wartung.

Die Bezeichnung ‚Turbine’ wurde 1824 (o. 1826) im Rahmen eines öffentlichen Wettbewerbs der Societé d’Encouragement pour l’Industrie Nationale gefunden. Es war ein Preis von 6.000 Franc für die Konstruktion eines Wasserrades ausgesetzt, das industriell verwendet werden konnte – ohne Leistungsverlust unter Wasser. Einer der Mitbewerber, der Franzose Claude Burdin (1790 – 1873), schlug vor, ein solches Rad ‚Turbine’ zu nennen, nach dem lateinischen Wort turbo, Wirbel. Burdins eigener Entwurf war allerdings nicht erfolgreich, den Gewinn strich der 24-jährige Bénoit Fourneyron (1802 – 1867) ein, dessen Konstruktion sich durch zwei konzentrische Räder und einen Wirkungsgrad von 80 – 85 % auszeichnete. Das feststehende innere Rad hatte gekrümmte Leitschaufeln, die das Wasser gegen die Laufschaufeln des äußeren Rades, dem Läufer, leiteten. Die erste Fourneyron-Turbine wurde dann ab 1835 in St. Blasien im Schwarzwald eingesetzt und leistete rund 6 PS.

Eine Abwandlung der Fourneyron-Turbine bestand darin, die Leitschaufeln oberhalb des Laufrades anzuordnen. Auf diese Idee kam Karl Anton Henschel, der seine Überdruckturbine 1837 für eine Schleiferei in Holzminden entwarf. 1841 installierte er eine weitere Turbine in einem Braunschweiger Steinbearbeitungsbetrieb – wo sie der Franzose Nicolas J. Jonval sah und sich 1843 daraufhin einen Nachbau patentieren ließ. Deshalb ist die Bauart als Jonval-Turbine bzw. als Henschel-Jonval-Turbine bekannt.

Das Wasser durchströmt die Turbine axial von oben nach unten. Der Leitapparat lenkt das Wasser in das darunter liegende Laufrad. Als Neuerung versah Henschel den Abfluß mit einem Saugrohr. Dadurch wird das gesamte verfügbare Gefälle genutzt, obwohl die Turbine höher als der Unterwasserspiegel montiert ist.

Weitere und weniger bekannte Turbinentypen wurden gebaut von Friedrich Wilhelm Schwamkrug (von 1846 an, Gleichdruckturbinen für Gefälle über 100 m, neu sind die waagrechte Anordnung der Welle und die Form des Leitapparates), von L. Dominique Girard (ab 1851, im 19. Jh. für große Fallhöhen am häufigsten eingesetzt), oder von dem Münchner Ingenieur J. W. Stawitz (1878, Gleichdruckturbine mit Freistrahldüsen, das einzige Exemplar war 1879 - 1891 in Großhesselohe bei München in Betrieb).

Bereits im Jahre 1849 schuf der aus England kommende und nach Amerika ausgewanderte James B. Francis (1815 – 1892) die erste der heute noch nach ihm benannten Francis-Turbinen, und der Österreicher Prof. Victor Kaplan (1876 – 1934) entwickelte in Brünn/Mähren um 1910 die ebenfalls bis heute nach ihm benannte Kaplan-Turbine. In den Jahren 1912 und 1913 ließ Kaplan seine Konstruktion patentieren, die aus einer Turbine mit senkrechter Achse und einem propellerähnlichen Laufrad mit verstellbaren Laufschaufeln bestand. Schon bald darauf begannen eine ganze Reihe führender Turbinenhersteller diese Turbine in Lizenz zu bauen.

Die erste Kaplanturbine wurde 1919 in einer Textilfabrik in Velm/Österreich installiert. Bei einer Fallhöhe von nur 2,3 m erzielte sie immerhin 25,8 PS. Durch die später an dieser Turbine aufgetretenen Korrosionsschäden entdeckte Kaplan übrigens auch die Kavitation, eine physikalische Erscheinung die auftritt, wenn ein Propeller unter Wasser mit hoher Geschwindigkeit rotiert. An der Saugseite der Laufschaufeln kann ein derart hoher Unterdruck entstehen, daß sich dort Dampfblasen bilden, welche die Schaufeloberfläche stark korrodieren.

Voraussetzung für diese Entwicklungen waren die bedeutenden Verbesserungen, die der Engländer James Thomson – der ältere Bruder des Lord Kelvin – in Form verstellbarer Leitschaufeln und gekrümmter Laufschaufeln einführte.

Zur Unterscheidung der beiden o.g. Typen sei gesagt, daß sich die Francis-Turbine besonders für geringe Wassermengen aber sehr große Höhenunterschiede eignet, während die Kaplan-Turbine für genau die gegenteilige Situation gut ist. Für die maximale Energieausbeute entspannen moderne Francis-Turbinen das Wasser durch einen so extremen Druckabfall, dass es beim Ausströmen aus der Turbine regelrecht zerreißt und zu kalten Dampfblasen aufschäumt. Auch hier darf diese Kavitation die Turbinenschaufeln keinesfalls berühren: Treffen die Bläschen auf das Metall, dann implodieren sie heftig und reißen Löcher in das Material. Die Turbine muss also immer knapp vor dem Schwarm fieser Blasen rotieren – gewissermaßen im Grenzbereich surfen.

Ein dritter Typ, die zur Ausnutzung von 200 m – 2.000 m Gefälle einsetzbare Pelton-Turbine, geht auf den Bergbauingenieur Lester A. Pelton (1829 – 1908) zurück, welcher erst durch viele Versuche mit den verschiedensten Becherformen zum günstigsten Resultat gelangte. Während des Goldrausches in den 1860er Jahren in Kalifornien war die allgemein angewandte Methode, Gold von tumbem Gestein und Sand zu reinigen, indem man das Erdreich mit einem unter hohem Druck stehenden Wasserstrahl abzuspült.

Nachdem um 1870 kein Gold mehr gefunden wurde, verwendete man das Wasser, um Wasserräder zu betreiben. Pelton war einer der Leute, die mit dem Bau dieser Wasserräder beschäftigt waren. Eines Tages traf ein Wasserstrahl zufällig nur den äußeren Teil der gekrümmten Schaufeln des Rades, dessen Geschwindigkeit daraufhin derart zunahm, daß es in Stücke flog. Nach vielen Versuchen entstand eine Schaufel aus zwei flachen Schalen, die in der Mitte der Laufschaufel zusammengefügt sind – das Peltonrad. Und 1882 galt als das Jahr, in dem erstmals US-Ingenieure in einem Stauwerk in Wisconsin eine dieser ‚Freistrahl-Turbinen’ mit einem Generator gekoppelt haben.

Das erste Elektrizitätswerk in Deutschland baute 1884 Oskar von Miller (1855 - 1934) in München. Auch die Grundsteinlegung für das Deutsche Museum 1906 in München durch Kaiser Wilhelm II. geht auf seine Initiative zurück. Von Miller war sowohl zwischen 1912 und 1914 Vorsitzender des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI), als auch (als technischer Berater) Mitglied der Friedensdelegation 1919 in Versailles. Von 1918 bis 1924 war er Projektleiter beim Bau des damals größten Speicherkraftwerks der Welt, des Walchenseekraftwerks (s.d.) und 1930 wurde er zum Ehrenpräsidenten der II. Weltkraftkonferenz in Berlin gewählt. Einige seiner Wasserkraftwerke sind auch 2007 noch immer in Betrieb.

Die schaufellose Tesla-Turbine wurde zwischen 1900 und 1906 von Nikola Tesla erfunden. Zum Patent meldete er sie dann 1921 an. Sie besteht im Wesentlichen aus mehreren runden Scheiben, die in Lagen übereinander gepackt und im Zentrum über eine Achse verbunden sind. Zwischen den Scheiben sind Hohlräume. In der Nähe des Zentrums sind Löcher, durch welche die einzelnen Hohlräume miteinander verbunden sind. Das Medium wird durch eine Düse tangential zwischen die Scheiben gedrückt, durchwandert dabei in mehreren Umdrehungen mit steigender Drehzahl die Zwischenräume der Scheiben und treibt den Rotor durch die Bildung von Oberflächenwirbeln an. Im inneren Bereich sind die Rotorscheiben mit Speichen an der Nabe befestigt oder mit Fenstern versehen durch die das Medium austreten kann.

Einer anderen Beschreibung nach funktioniert die Tesla-Turbine (möglicherweise handelt es sich hier um ein anderes Modell; Tesla war bekanntermaßen ein Viel-Erfinder) indem sie die Energie eines Strudels in einem Fluid (z.B. der Strudel des abfließenden Badewannenwassers) aufnimmt. Dazu setzt man die Turbine einfach in die Mitte des Strudels. Durch die Reibung zwischen Fluid und Turbinenscheiben werden die Scheiben auf die Winkelgeschwindigkeit des Strudels gebracht, während das Fluid Energie verliert und so in eine engere Bahn gezwungen wird. In der Nähe des Zentrums fließt das Fluid dann durch die Löcher in die nächsttiefere Ebene. Vorteile der Tesla-Turbine sind der einfache Aufbau, ein ihr nachgesagter außergewöhnlich hoher Wirkungsgrad und die hohe Vibrationsarmut aus Mangel an Unwuchten. Im industriellen Rahmen kam die Tesla-Turbine damals jedoch nicht über den Prototypen hinaus, da sie derart hohe Winkelgeschwindigkeiten erreichte, daß sich das Material der Scheiben ausdehnte wie ein vom Bäcker rotierter Pizzaboden.

In seinen theoretischen Abhandlungen erwähnte Tesla, daß seine Turbine mit den Wirkungen der Adhäsions- und Kohäsionseffekte arbeitet (s.a. Teil D, Wasser), und er weigerte sich strikt anzuerkennen, daß dies irgend etwas mit der ‚Reibung’ zu tun hätte. Man vermutet heute, daß die Wirksamkeit der Tesla-Turbine mit dem Coandă-Effekt erklärt werden kann. Mit dem Begriff Coandă-Effekt wird die Erscheinung bezeichnet, daß ein Gas- oder Flüssigkeits-Strom der Krümmung einer konvexen Oberfläche folgt, anstatt sich in der ursprünglichen Fließrichtung weiterzubewegen.

Seit dem Frühjahr 2004 bietet die US-Firma Tesla Engine Builders Association (TEBA) aus Milwaukee übrigens eine 21’’-Tesla-Turbine mit drei Platten und 7.200 U/m für Forschungszwecke an, während sich in Deutschland Rainer Schmieg und seine Firma RS Design in Blankenhain intensiv mit der Weiterentwicklung der Tesla-Turbine beschäftigen.

Es gibt inzwischen aber schon diverse Gruppen, die sich mit eigenen Entwicklungen beschäftigen. Ein kleines, mit Luftdruck betriebenes, Selbstbaumodell aus mehreren CDs soll 2008 eine Umdrehungszahl von 10.000 U/min und eine Leistung von 4 kW erreicht haben.

Im Rahmen seiner Diplomarbeit greift Andreas Welschhoff, Student der Mechatronik an der Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn, das technische Konzept der Tesla-TurbineMitte 2010 wieder auf. Er baut sie nach weil es ihn interessiert, warum sich diese Technik in über 100 Jahren nicht durchgesetzt hat. Der (behauptete) hohe Wirkungsgrad der Turbine wird in den Versuchen allerdings nicht erreicht. Welschhoff  kommt jedoch zu dem Schluß, daß es mit weiteren konstruktiven Verbesserungen möglich ist, die Turbine allein mit Wasserdampf zu betreiben, womit diese beispielweise bei der Energierückgewinnung in der Industrie eine entscheidende Rolle spielen könnte.

Bereits in den 1940er Jahren wurde in Deutschland eine interessante Abwandlung der Kaplanturbine entwickelt. Diese bestand aus einer konventionellen Kaplanturbine, der in einer stromlinienförmigen Ummantelung ein Generator nachgeschaltet war. Beide Einheiten wurden horizontal in waagrechte Stollen des Kraftwerks eingebaut.

Eine weitere Konstruktion bildet die Außenkranz-Generatorturbine, die auf den 1882 geborenen Leroy Harza im Jahre 1919 zurückgeht. Zwischen 1937 und 1950 hat das Schweizer Unternehmen Escher Wyss AG insgesamt 73 Stück dieses Turbinentyps in Kraftwerken an Iller, Lech und Saalach installiert. Eine Renaissance erfuhr die Harza-Turbine ab 1980, als Escher Wyss im belgischen Ardenne drei, und in Lixhe sogar 4 weiterentwickelte Typen von jeweils 5,5 MW an das öffentliche Netz anschloß. 1982 folgten zwei weitere Turbinen mit jeweils 8 MW im österreichischen Weinzödl. Besonders interessant ist dieses Turbinenkonzept, weil es auch in der Pilotanlage des Kanadischen Gezeitenkraftwerks installiert werden soll (s.d.).

Besonders gut für Kleinwasserkraftwerke geeignet ist die einfache und robuste Durchströmturbine, bei der das einströmende Wasser so abgelenkt wird, daß es das Laufrad als rechteckig geformter Wasserstrahl quer durchströmt und dabei zweimal gegen die Schaufeln trifft. Kleinere Schwankungen der Wassermenge werden durch Verstellen der Strahlhöhe ausgeglichen, größere Schwankungen durch Verkleinerung der Strahlbreite. Das Abwasser wird anschließend durch ein Saugrohr geführt, wodurch ein Unterdruck entsteht, der den Wasserstrahl zusätzlich beschleunigt. Diese Turbine ist schon bei Fallhöhen unter 1 m und ab 70 l Wasser pro Sekunde einsetzbar.

Frühe Formen stammen von dem Australier Anthony Michell (Patent 1903, langjährige Herstellung in Weymouth), von dem Ungarn Donát Bánki (in Ungarn bis 1926 und dann wieder nach dem 2. Weltkrieg gebaut) und dem Deutschen Fritz Ossberger (Patent 1922, Herstellung bis heute). Ossberger-Turbinen werden vor allem in Kleinkraftwerken für Fabriken und kleine Gemeinden eingesetzt. Eine Einzelturbine kann bis zu 1.000 kW leisten.

Die Tauernkraftwerke AG in Österreich bieten für den gleichen Einsatzbereich einen Torpedomaschinensatz an, der aus einer halbachsialen Kugelnabenturbine und einem nachgeschalteten Asynchrongenerator besteht und in einem Leistungsbereich zwischen 1 und 5 MW zu haben ist.

Eine spezielle Turbine für die Nutzung der Strömungs- und Gezeitenenergie (s.d.) wird ab 1981 von dem US-Unternehmen Underwater Electric Kite Corp. (UEK) in Maryland entwickelt. Die als Doppelturbinen konzipierten Anlagen können sich mit der Strömungsrichtung drehen. Für zeitweilige Einsätze bietet das Unternehmen auch ein kleines, schwimmfähiges Modell an.

Die UEK, die ihre ersten Versuche in Kooperation mit der Ontario Power Generation in Kanada durchführt, erhält 1984 den renommierten Rolex-Award. Im Mai 2001 wird ein Vertrag mit der Regierung Kolumbiens geschlossen, um zwei Turbinen von je 1 MW im Fluß Inirida bei Cerros de Mavecuri einzusetzen. Zusammen mit der Stromanbindung kostet das Projekt über 14 Mio. $. Im September 2002 soll dann eine Demonstrationsanlage mit 90 kW im Yukon bei Eagle (Alaska) installiert werden.

Eine umfangreiche Übersicht über dieses Projekt sowie über andere diverse Modelle, die zur Nutzung der Strömungsenergie im Meer entwickelt worden sind, folgt in einem späteren Kapitel.

Als weitere Alternative sei die bereits erwähnte Schauberger-Turbine genannt - obwohl mir bislang keinerlei Unterlagen über tatsächlich erzielte Resultate vorliegen. Die Wirkungsprinzipien, die Schauberger entdeckt hat (s.a. Teil D, Wirbelströmung 3) können möglicherweise auch bei der Erklärung der sogenannten Herbrand-Turbine dienen.

Ludwig Herbrand aus Wegberg meldete 1994 ein Patent an (DE 4408483 A1, vom 21.09.1995), das sich eher wie ein Essay voller historischer Begebenheiten, Zitaten und Briefwechseln liest – und vermutlich deshalb auch nicht erteilt wurde. Dabei geht es um die ‚Energiesteigerung aus fließendem Wasser’, indem zum Antrieb der Turbinen die ‚Masse-Energie des Wassers’ genutzt wird. Dies erfolgt durch einen trichterförmigen oder konischen Einlauf, der die Geschwindigkeit des Wassers auf das 5 – 10fache steigert, denn die Energie steigt kubisch mit an (E_kin = 1/2 x Dichte X Fläche x Geschwindigkeit³).

In der Formulierung des Patentanspruchs heißt es: „Herbrand-Turbine zur Nutzung von potentieller und Masse-Energie, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser horizontal in die Turbine einläuft und gegen einen Energiekorb spritzt, der mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist, die konisch unter einem Winkel von 40 bis 60 Grad gestellt sind, wodurch das Wasser ohne Reibung senkrecht auf das Laufrad auftrifft.“

Herbrand behauptete, daß diese Technologie seit dem Jahre 1915 bekannt sei. Der eigentliche Konstrukteur ist offensichtlich auch nicht Herbrand, sondern ein Prof. Finzi der T.H. Aachen, dessen System im Kraftwerk Rheinfelden installiert worden war.

2008 wird erstmals eine neue magnetisch gelagerte Turbine getestet. Die Untersuchungen im Auftrag der Free Flow Power, die entlang des Mississippi Tausende Unterwasserturbinen installieren will (s.u.) erfolgen im Strömungskanal der Alden Labs in Holden, Massachusetts.

Die Free Flow Turbine schwebt mitsamt ihrem Permanentmagnet-Generator in einem magnetischen Feld, wodurch auch die Schmierstoffe traditioneller mechanischer Lager vermieden werden, die in die Umwelt austreten könnten.

Im März 2010 sucht das Electric Power Research Institute (EPRI), ein unabhängiges non-profit Institut, nach einem Standort um die besonders Fisch-freundliche Alden Turbine zu testen und zu bewerten. Die bereits 2001 und 2002 durchgeführten Pilotversuche sollen vielversprechend gewesen sein.

Die mit Unterstützung des U.S. Department of Energy und industriellen Partnern vom Alden Research Laboratory entwickelte Turbine zeichnet sich durch eine konisch-spiralige Form aus und soll nur minimalen Schaden an der hindurch schwimmenden Fischpopulation anrichten.

Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Kaplan-Turbinen mit 5 oder 6 Blättern, oder gar Francis-Turbinen, mit 14 bis 18 Blätter haben, besitzt die Alden-Turbine nur drei Rotorblätter und ähnelt damit ein wenig einem Korkenzieher. Außerdem gibt es keine Lücken zwischen den Flügeln und der Turbinennabe, in denen sich die Fische verfangen könnten. Zudem dreht sich die Alden-Turbine langsamer.

Daniel Hull, ein australischer Industriedesigner mit Sitz in Melbourne, präsentiert im August 2010 eine tragbare Wasserturbine mit dem Namen Vena Microhydro System.

Das System verfügt über Anker, Turbine, Generator und Akku-Pack für die Speicherung der gewonnenen Energie, wobei alle Komponenten in einer Art Rucksack untergebracht sind. Die von Drachen und Windrädern inspiriere Turbine hat flexible Rotorblätter, die aufgerollt werden können um das System zu transportieren. Das ideale Gerät zum campen am Fluß.

Kommen wir nun zu den Laufwasserkraftwerken, die zumeist ohne aufwendige Dammkonstruktionen errichtet werden.

Laufwasserkraftwerke

Es scheint die Grand Rapids Electric Light and Power Co. in den USA gewesen zu sein, die 22.03.1880 das erste ‚hydroelektrische’ Kraftwerk installierte. Die Anlage wurde in der Fabrik der Wolverine Chair Company errichtet und versorgte ein Theater und die Schaufenster von Geschäften mit elektrischem Licht. Die erste ‚kommerzielle’ Anlage wurde zweieinhalb Jahre danach, am 30.09.1882 in Appleton, Wisconsin, am Fox River installiert. Die später Appleton Edison Light Company genannte Anlage war von dem Papierfabrikanten H. F. Rogers in Auftrag gegeben worden, der sich von Thomas Edison hatte inspirieren lassen. Die Anlage war mit einer 107 cm durchmessenden Wasserturbine ausgerüstet und lieferte 25 kW. Ab diesem Zeitpunkt begann man überall auf der Welt mit dem Bau von Wasserkraftwerken.

Ein klares Unterscheidungsmerkmal gegenüber anderen hydroelektrischen Anlagen ist, daß bei Fluß- oder Laufwasserkraftwerken höchstens Wehre, nicht jedoch Dämme errichtet werden. Man bemüht sich hier, das freie Fließen des Flusses möglichst wenig einzuschränken.

Besonders ‚Unterwasserkraftwerke’ mit Kaplan-Rohrturbinen erzielen mit einem Mindestmaß an Material, Bauzeit und Kosten ein Höchstmaß an Nutzwirkung. Das erste dieser besonderen Laufwasserkraftwerke wurde 1936 an der Persante in Pommern gebaut, ein erst in jüngerer Zeit gebautes Kraftwerk an der Iller (oder richtig ‚in’ der Iller) leistet 25 · 10⁶ kWh im Jahr.

Die stark gefallenen Kosten für Wasserturbinen und Generatoren lassen inzwischen wieder den ehemals vorhandenen und dann durch die billigen Kohle- und Ölpreise aufgegebenen Einsatz von ‚Mini-Stationen’ an kleineren Flüssen und größeren Bächen sinnvoll erscheinen – hier liegt sogar im mitteleuropäischen Raum ein recht großes Potential brach.

Um 1900 waren in Deutschland noch etwa 70.000 vorwiegend kleine Wasserkraftwerke in Betrieb – heute, rund 100 Jahre später, existieren höchstens noch 10 % davon. Bei einer Erhebung in Bayern im Jahr 1983 wurden exakt 4.054 Kleinanlagen unter 1 MW gezählt. Und als 1987 die Landwirtschaftskammer Westfalen-Lippe damit begann, ein Kataster anzulegen, um die vorhandenen Laufkraftwerke zu erfassen, stellte sie fest, daß in ihrem Bezirk noch 850 alte Wasserkraftanlagen mit einem nutzbaren Energiepotential von rund 100 MW existieren, während die Fließgewässer des Gebiets eine kinetische Energie von etwa 290 MW aufbringen könnten.

Aus ökologischer Sicht werden Laufkraftwerke dann bedenklich, wenn mit ihrer Installation auch der Bau von Staustufen einhergeht, durch die ein Verlust des Fließcharakters resultiert, mit allen seinen (zumeist negativen) Folgen für Gewässergüte, Fischfauna und Flußauen. Dafür haben sie aber sehr lange Nutzungszeiten zwischen 40 und 80 Jahren!

Unter dem Namen Small Hydro erfuhr diese Technologie inzwischen besonders in Kanada einen enormen Auftrieb. Man kann per Katalog eine ganze Bandbreite an entsprechenden Anlagen bestellen, deren Montage und Installation im do-it-yourself Verfahren erfolgt.

Bereits 1998 gründete sich auf Initiative der Europäischen Kommission die ESHA (European Small Hydropower Association), eine non-profit Vereinigung, die seit 2000 ebenso wie die anderen Mitglieder des EREC (European Renewable Energy Council) ihren Sitz in Brüssel hat. Die Ziele dieser Vereinigung sind die Schaffung einer Plattform auf europäischer Ebene, die Förderung des Informations- und Technologieaustausches sowie die Durchführung von Analysen und Studien zu juristischen, technischen und wirtschaftlichen Faktoren die mit dem Bereich ‚small hydropower’ zu tun haben.

Für die Dritte Welt ist jedoch sogar diese relativ kleine Anlagengröße oftmals noch zu groß. Aus diesem Grund wurde eine weitere Unterteilung in Micro Hydro (bis 100 kW) und Pico Hydro (bis 5 kW) vorgenommen. Dabei werden diese Anlagen zwei verschiedenen Segmenten zugeordnet – entweder den Batterie-basierenden Systemen oder den direkt angeschlossenen Gleichstromsystemen.

Da es sich bei der Wasserenergie um die weltweit größte und sauberste Quelle erneuerbarer Energie handelt – und da es im Sinne einer weltweiten dezentralen Nutzung der Wasserenergie in erster Linie um besonders kleine Wasserkraftwerke geht, werde ich die aktuelle Entwicklung in diesem Bereich hier näher beleuchten.

Unverständlich ist es, daß man Informationen über von Wasserkraft betriebene Kleinstanlagen erst mit großem Aufwand suchen muß, da diese Technologie auf internationaler Ebene so gut wie nicht kommuniziert wird.

Trotzdem gibt es weltweit bereits eine große Anzahl von Micro Hydro-Systemen mit Leistungen bis zu 100 kW. Eingesetzt werden primär kleine Pelton-Turbinen, die inzwischen auch in Schwellenländern selbst hergestellt werden – wie beispielsweise seit 2003 von dem türkischen Unternehmen Electromechanics Industry (TEMSAN), wo man von ‚Mikro Türbinler’ spricht. Die hier gefertigten Turbinen reichen im Durchschnitt aus um zwei Haushalte zu versorgen – und amortisieren tun sich die Anlagen in zwei Jahren. Bis Ende 2007 hatte das Unternehmen bereits acht erfolgreiche Umsetzungen vorzuweisen.

Schon 1975 gab es in der VR China zum Beispiel rund 60.000 solcher Kleinanlagen, die zwischen 0,6 und etwa 100 kW leisten. Man schätzte damals, daß rund 70 % aller chinesischen Kommunen ihre Elektrizität mittels kleiner Wasserkraftanlagen produzieren. Zumeist handelte es sich um Anlagen mit hölzernen Schaufelrädern von Durchmessern bis zu 5 m und einer Generatorleistung von ca. 5 kW.

Dies ist insbesondere für Afrika interessant, wo es zwar viele Flüsse, aber noch viel zu wenig Energieerzeugung gibt, denn die von den Chinesen beherrschte Technologie winziger und billiger Mikro-Hydro-Dämme ermöglicht es, aus kaum mehr als ein paar Wassertropfen schon kleinste Mengen an Elektrizität herstellen zu können. In Ländern wie Zimbabwe, Kenia, Uganda und Südafrika haben bereits diverse Kleinanlagen ihren Betrieb aufgenommen.

Mehr Pico Hydro Anlagen gibt es in Vietnam. Hier rechnet man inzwischen mit über 100.000 Stück, die sich landesweit im Einsatz befinden, wobei ein Generator mit einer Leistung von 300 W nicht mehr als 20 $ kostet und den Stromverbrauch einer ganzen Familie decken kann. Da diese Leistung auch über 365 Tage im Jahr und 24 Stunden am Tag geliefert wird, erübrigt sich eine teure Batteriespeicherung. Selbst das komplette System inklusive aller Rohre, Kabel, Montagekosten usw. kostet selten mehr als 200 oder 300 $ und ist damit auch für einen großen Teil der Bevölkerung erschwinglich.

Die in Vietnam hergestellten Turbinen und Generatoren werden vom Center for Sustainable Energy Development (VSED)  inzwischen auch im Internet angeboten, es gibt sie als 200, 500 und 1.000 Watt Generatoren, je nach Netz entweder in der 110 oder der 220 Volt Ausführung.

Besonders für Haushalte mit geringem Einkommen in Equador wurde mit Unterstützung der Weltbank eine Pico Hydro Technik entwickelt, die sich leicht auch auf andere Entwicklungsländer übertragen ließe. Dabei handelt es sich um kleine, im Grunde fast tragbare Mini-Wasserkraftwerke, deren Ausbeute aber trotzdem den Großteil des Bedarfs eines Einzelhaushalts decken kann.

Es gibt inzwischen weltweit diverse Projekte, in denen sich NGOs mit der Verbreitung und dem Technologietransfer von Kleinstturbinen beschäftigen.

Doch selbst in den (hochentwickelten) Vereinigten Staaten werden zwischen 1978 und 1988 etwa 50.000 neue dezentrale Kleinkraftwerke installiert – dieser Zuwachs kam allerdings durch produzentenfreundliche Einspeisegebühren zustande, wie sie in Deutschland damals noch nicht einmal angedacht waren. Die Gesamtausbeute dieser neuen US-Anlagen wurde Ende der 1980er Jahre mit rund 850 MW angegeben.

Als einfachste Form überhaupt gilt die sogenannte Harris-Turbine, bei der ein Peltonrad gleichzeitig von mehreren Düsen beaufschlagt wird. Hierbei wird keine spezielle und teure Peripherie benutzt, sondern ganz einfache Wasserrohre. Als Generatoren werden umgebaute Lichtmaschinen aus Kraftfahrzeugen eingesetzt, da deren Verbrauchsmaterialien wie Kohlebürsten z.B. sehr günstig und auch überall erhältlich sind. Typische Einsatzgrößen für diese Turbinen liegen zwischen 1 kWh und 30 kWh pro Tag.

Für Gebiete mit geringerer Fallhöhe eignen sich dagegen mehr die Banki-Turbinen (Durchströmturbinen), die zwar weniger effizient sind, sich jedoch durch einfachere Strukturen und auch wesentlich günstigere Herstellungskosten auszeichnen.

Ein weiteres neues Konzept stammt von dem britischen Erfinder Ken Upton, es wird in der Sommerausgabe 2002 des Catalyst magazine vorgestellt. Bei dieser Innovation wird die Strömungsenergie des Wassers über eine Art Laufband umgewandelt, bei dem Schaufeln unter Wasser senkrecht stehen, während sie sich – sozusagen auf dem Rückweg – an der Oberseite der schwimmfähigen Konstruktion niederlegen.

Der in Spanien lebende Upton soll sich auch schon früh mit oszillierenden Tragflächen-Systemen beschäftigt haben, es scheint aber bei kleinen Funktionsmodellen geblieben zu sein. Ähnliche Systeme hat er auch auch für den Bereich der Windkraftnutzung vorgeschlagen.

Im Juni 2004 startet in Augsburg in einem Seitenkanal des Lech das Projekt Hubflügelgenerator HFG3 der Firma Aniprop GbR aus Göttingen/Berlin. Das von Felix Scharstein konstruierte 1 kW Kleinstkraftwerk besitzt einen Tragflügel wie im Flugzeugbau, der sich – quer im Fluß liegend – auf und ab bewegt und einen Teil der Fließenergie in elektrische Energie umwandelt.

Das physikalische Wirkungsprinzip ist schon 1924 in Göttingen entdeckt worden – und gilt unter dem Namen ‚Flugzeugflattern’ als Erzfeind einer jeden neuen Flugzeugkonstruktion.

Die Konstruktion (Patentnummer DE 101.09.475) soll sich im praktischen Betrieb bewähren und die im Labormaßstab vielversprechenden Versuche bestätigen, denen zufolge die gekoppelte Schlag- und Drehbewegung des schwingenden Hubflügels aus physikalischen Gründen im Wirkungsgrad jedem Wasserrad überlegen ist. Die 20.000 € Sachkosten, die das Projekt kostet, werden von der kleinen Firma mit Krediten und privaten Einlagen selbst aufgebracht. Der Feldversuch der Aniprop endet im Juni 2006 wegen des Ablaufs der auf zwei Jahre begrenzten Betriebszeit. Die weitere Entwicklung ist in der Schwebe, 2010 bemüht man sich um Finanzmittel für die Entwicklung einer marktfähigen Kleinanlage.

Technisch besteht eine Ähnlichkeit mit dem Projekt Stingray der englischen Firma Engineering Business Ltd., das weiter unter unter Strömungsenergie präsentiert wird.

Als Beispiele der diversen individuellen Initiativen, die es inzwischen auf diesem Sektor gibt, möchte ich hier einmal die Erfindung der beiden britischen Pensionäre Ian Gilmartin und Bob Cattley erwähnen, bei der es sich um eine modernisierte – und im Grunde umgedrehte – Form der Noria von Philon handelt (s.o.). Bei dem 2 kW System, an dem die beiden seit 2004 arbeiten, wird eine Reihe von Trögen eingesetzt, die an einer Kette in Umlauf sind. Doch anstatt wie bei der Noria das Wasser hinauf zu fördern wird hier das Gewicht des Wassers dazu genutzt, einen kleinen Generator anzutreiben. Die Abbildung zeigt eine Zeichnung aus dem Patent der beiden (WO 2006082403).

Gilmartin und Cattley haben inzwischen vom Lake District National Park eine Förderung im Umfang von 15.000 englischen Pfund bekommen, um in der Nähe von Windermere einen funktionierenden Prototypen zu errichten. Sie hoffen, ihre Anlagen, die schon einen Höhenunterschied von nur 20 cm effektiv ausnutzen können, bereits Ende 2007 in Verkauf gehen zu lassen, und wollen ein Komplett-Set für ungefähr 2.000 Englische Pfund anbieten.

Ein weiteres System, das keinesfalls unerwähnt bleiben darf, ist das bereits 1990 patentierte Compression Tube System von Joe Holden, dem Erfinder der Nachbrenner für RollsRoyce-Turbinen und ehemaliger Testpilot der Concorde. Diese Innovation zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß hier zwei verschiedene Turbinenprinzipien miteinander kombiniert werden. Außerdem läßt sich das System ohne Umbauten auch zur Erzeugung von Luftdruck nutzen.

Ebenfalls recht interessant ist das 2006 patentierte Optimset Turbo System (WO 108264), bei dem es sich um einen in Toronto entwickelten schwimmenden Laufwasser-Generator mit senkrechter Achse handelt, der sich in einer Ummantelung befindet, vor der ein trichterförmiger Zufluß angebracht ist. Das System ähnelt damit den frühen Windmühlen im Orient bzw. späteren Umsetzungen der Windenergienutzung, die ich an entsprechender Stelle noch ausführlich darstellen werde.

Die vielleicht kleinste jemals gebaute hydroenergetische Anlage wird 2007 vorgestellt: Die computergesteuerten Toiletten des japanischen Herstellers TOTO Ltd. aus Fukuoka können seit neuestem für ihre eigene Stromversorgung sorgen, denn jedes mal, wenn die Spülung läuft, wird die Energie des ablaufenden Wassers genutzt um einen Akkumulator aufzuladen.

Mit einem ähnlichen System beteiligt sich 2007 Leo Yip von der Queensland University of Technology am australischen Dyson Design Award. Das Eco-electric genannte Gerät soll Strom aus dem sogenannten Grauwasser von Haushalten erzeugen – und gleichzeitig das Bewußtsein für den Wasserverbrauch schärfen. Außerdem trennt ein Filter Schmutzpartikel ab, die in einem angeschlossenen Behälter gesammelt werden.

Auf der japanischen Leitmesse für erneuerbare Energien im Oktober 2007 wird ferner eine Mikro-Wasserkraftanlage der Firma Tepsco gezeigt, mit der man Strom aus dem Wasser in Abflussrohren gewinnen kann. Das Unternehmen verspricht, bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,05 bis 0,2 m/s zwischen 10 und 30 kW Leistung erzeugen zu können.

Für die gleiche Idee erhält im März 2008 die 12-jährige Schülerin Nina Yadlowsky aus Irvine, Kalifornien, einen Preis in Höhe von 25.000 $. Sie nennt ihre Erfindung Drain Wheel. Und im Juli 2010 stellt Tom Broadbent, Student der Leicester De Montfort University einen weiteren Abwasser-Generator vor, den er HighDro Power nennt, und der in einem 7-stöckigen Haus jährlich bis zu 1.400 $ Stromkosten sparen soll.

Eine sehr interessantes schwimmendes Flußkraftwerk wurde bereits 1978 von dem zwischenzeitlich verstorbenen Hamburger Jens Hoppe entwickelt. Die P.E.A.C.E Schraube (Provide Energy As Clean Energy) besteht aus einem hohlen Kegel mit 2 bis 5 Flügeln. Die Anlage ist so austariert und montiert, daß sie im Flußwasser schweben kann. Mehrere Schrauben können hintereinander geschaltet werden, bei richtigem Abstand der Schrauben und abnehmendem Durchmesser ergibt sich eine Energiekaskade. Die Kegel selbst können geflutet und verschlossen werden, was dazu dient, ihnen das spezifische Gewicht des Wassers zu geben. Eine Einzelschraube mit einem Schraubendurchmesser von 1 m erzielt bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s eine Leistung von 1 kW.

Ein Prototyp mit den Maßen  8 m Länge und 4 m Breite entstand 1997/1998 auf der Binger Schiffswerft und wurde auch eine Zeitlang bei Bingen im Rhein getestet.

Jens Hoppe verstirbt Ende 2005, nachdem das Patent wegen Nichtzahlung des Jahresbeitrages schon 2001 erloschen war. Burkhard Schmidt in Falkensee will diese Schraube in seiner Firma Hydropower-BB noch einmal nachbauen (Stand Mitte 2007).

Anfang 2008 arbeitet die International River Energy Gmbh aus Naumburg an der Errichtung eines Kraftwerks in Naumburg-Almrich in Sachsen-Anhalt. Das F-LWK 5-300 kW ist eine Weiterentwicklung der Stömungswandler-Schraube oder Kegelturbine und soll das erste fischökologische Laufwasserkraftwerk der Welt werden. An der ursprünglichen Form sind einige Dinge verändert worden, und gemeinsam mit dem Unternehmen Aupro arbeitet man an einer Trinkwasseraufbereitung.

Ebenfalls aktiv ist die P.E.A.C.E-Power Water and Wastewater GmbH in Leipzig. Es scheinen sich allerdings Differenzen um Hoppes Patent ergeben zu haben, die o.g. Firmen sind inzwischen nicht mehr erreichbar, und auch die Staatsanwaltschaft Leipzig soll Ermittlungen eingeleitet haben. Aufklärende Informationen werden daher gerne entgegengenommen.

Die langgestreckte Schraubung erinnert ein wenig an das schwimmende Kleinkraftwerk eines Farmers in Arizona, das es 1932 sogar in die Presse schaffte. Unter dem Ponton-Floß sind vier spiralförmige Rotoren mit einem Durchmesser von jeweils knapp 30 cm angebracht, von denen sich zwei links- und zwei rechtsherum drehen - vermutlich aus Gründen der Stabilität. Jede Achse ist mit einem 32 V Generator verbunden, was genügend Strom für die gesamte Ranch liefert.

Ein Vorläufer ist auch die schwimmende Fluß-Turbine von Peter Garman, die auf Initiative der Intermediate Technology Development Group (ITDG) im Jahr 1978 zur Entwicklung der sogenannten Garman Turbine führte, die speziell für Wasserpumpen und Bewässerungsanlagen genutzt wird. Innerhalb von vier Jahren werden am Weißen Nil in Juba, Sudan, insgesamt neun Prototypen gebaut und getestet. Der Gesamtwirkungsgrad des Low-Cost-Gerätes beträgt allerdings nur 7 %.

Ein weiteres ähnliches Modell bildet die sogenannte Tyson-Turbine der Gruppe Alternative Way, Nimbin, bei der es sich ebenfalls um einen konischen Rotor mit horizontaler Achse handelt, der unterhalb einer schwimmenden Konstruktion angebracht ist. Das Modell aus Australien soll 3 kW leisten.

Die belgische Rutten Company aus Herstal experimentiert wiederum in Zaire mit einer Ponton-Turbine, die aus einem doppelten Wasserrad besteht. Weitere Tests werden im Amazonasgebiet von Brasilien durchgeführt. Genauere technische Informationen über diese Entwürfe und ihre Leistungen sind leider nicht mehr verfügbar.

Eine weitere neue Methode, die Fließgeschwindigkeit des Flusses energetisch zu nutzen, hat der deutsche Ingenieur  Lutz Kroeber entwickelt. Sein Transverpello besteht lediglich aus einem Flügelelement, das wie eine Fahne am Mast an einer vertikalen Achse im Wasser hängt und sich mit der Strömung hin und her bewegt. Diese Pendelbewegung wird am freien Ende des Flügels abgenommen. Eine Pleuelstange überträgt die Kraft der Pendelbewegung über eine drehende Schwungmasse auf den Generator an Land. Jedes mal dann, wenn der Flügel seine äußerste seitliche Auslenkung erreicht hat, kehrt sich die Flügelwölbung durch die Kraft der Strömung um.

Das Wasser eines 2 m tiefen Flachlandflusses erzeugt an einem zwanzig Meter langen Flügel eine enorme Zugkraft. Sie entspricht ca. 10 t und wächst mit wachsender Flügellänge. Wird nun in einem gemächlich fließenden Flachlandfluß ein nur relativ kleiner Fleck Sohle von beispielsweise 50 x 15 m betoniert, so fließt über dieser Platte das Wasser doppelt so schnell. Die erhöhte Fließgeschwindigkeit bringt an dieser Stelle die mehrfache Energie, sie liegt zwischen dem Vier- und dem Achtfachen.

Sehr einfach ist das System des pakistanischen Erfinders Sarfraz Ahmad Khan, das 2007 in einem Fachblog präsentiert wird. Mehrere in den Flußlauf eingetauchte ‚Wasserräder’ übertragen ihre Drehenergie auf eine Hydraulikanlage, die wiederum die Stromgeneratoren antreibt. Allerdings gibt es bislang erst einige Zeichnungen des Konzepts.

Im Jahr 2006 erhält die VLH Turbine der Firma MJ2 technologies S.A.R.L aus Frankreich, ein internationales Patent, das bereits 2003 beantragt worden ist. Schon im April 2004 stellt MJ2 ein weiterentwickeltes Konzept vor, doch es dauert noch bis zum März 2007, als diese äußerst solide Turbine erstmals im französischen Troussy (Millau) installiert wird. Ihr Wirkungsgrad soll rund 90 % betragen.

Die VLH Turbine hat eine sehr niedrige Kopfhöhe und wird schräg abwärts zum Wasserfluß montiert. Sie ist auch bei Fallhöhen unter 3,2 m einsetzbar. Die Rotorblätter ähnelt denen einer Kaplanturbine. Durch ihren großen Durchmesser und die langsame Drehzahl gilt die VLH-Turnine mit unter 5 % Sterblichkeit als sehr fischfreundlich.

Ein ganz aktuelles und sehr durchdachtes schwimmendes Kleinkraftwerk kommt aus Österreich: die Strom-Boje der Firma Aqua Libre Energieentwicklungs-GmbH in Munderfing. Hier dreht sich der Rotor in einem an Seilen befestigten, frei schwebenden Strömungskanal, der sich in Höhe und Fließrichtung selbst reguliert und ohne jeden Eingriff oder jede bauliche Maßnahme im Fluß auskommt. Wirtschaftlich einsetzbar ist die Strom-Boje in Flüssen ab einer durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit von 2 m/sec, gut geeignet sind mittlere bis große Flüsse mit einer Mindestbreite von 4 m und einer Mindesttiefe von 2 m.

Das Unternehmen plant, Strom-Bojen als einzelne Module mit verschiedenen Leistungen bis ca. 140 kW und mit Rotordurchmessern bis ca. 4 m zu entwickeln. Mehrere Module können dann zusammengehängt werden, wodurch ‚Wasserparks’ mit einer Gesamtleistung von je 1.000 - 2.000 kW und einem jährlichen Ertrag von bis zu 10 Millionen kWh entstehen.

Das erste 1:1-Modell wird 2006 in den Fluß Wachau eingehängt und erfüllt die Hoffnungen des Entwicklerteams in vollem Maße. 2008 wird an der Optimierung der Leistung anhand von Modellen im Schleppkanal der SVA Potsdam, sowie an der Fertigungstechnik gearbeitet. Dieses Projekt wird im Rahmen des Ziel 2-Programms aus Mitteln des EFRE (Europäischer Fonds für Regionale Entwicklung) sowie aus Landesmitteln der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) gefördert.

Die neuesten Entwicklungen der Jahre 2009 und 2010 beweisen, daß diese Technologie einerseits noch weiter optimierbar ist, und andererseits, daß es in Österreich für kleinere und mittlere Unternehmen wesentlich einfacher ist als in Deutschland, für ihre innovativen Projekte öffentliche Unterstützung zu erhalten. Außerdem zeigt sich, daß die Strom-Boje das Donau-Hochwasser schadlos überstanden hat.

Ab Oktober 2009 schwimmt der zweite, schon seriennahe Prototyp Strom-Boje 2 - ebenfalls mit einem 150 cm Rotor - in der Donau. Bis Juni 2010 wird er getestet, verbessert und zur Serienreife entwickelt. Diese Baugröße mit 15 kW Nenn- und 30 kW Engpaßleistung wird dann einen Jahresertrag von etwa 100.000 kWh erbringen. Am 1. Juni wird sogar ein neuer Weltrekord für Strömungskraftwerke aufgestellt - bei einer Fließgeschwindigkeit von 3 m/s: Das Kraftwerk leistet bis zu 10 kW pro Quadratmeter Rotorfläche!

Ab dem Herbst 2010 wird die nächste Baugröße mit einem 250 cm Rotor und einer Leistung von 40 - 80 kW und ca. 250.000 kWha gebaut, eingehängt und getestet. Der Start einer Kleinserienproduktion soll dann 2011 erfolgen.

Im Februar 2008 erscheint erstmals eine Meldung über die Firma Bourne Energy aus dem kalifornischen Malibu, die mit grafischen Konzepten für eine ganze Reihe von Wasserkraftwerken aufwarten, an deren Anfang das RiverStar Kinetic Energy Module steht. Bei diesem System hängt ein 6,7 m durchmessender Strömungsrotor an einem bootsähnlichen Schwimmkörper, es soll bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 Knoten bis zu 50 kW leisten und etwa 20.000 $ kosten. Eine Version mit Doppelrotor läuft unter dem Namen TidalStar, für Meeresströmungen sollen wesentlich größere Systeme namens CurrentStar bzw. OceanStar entwickelt werden. Die limitierte Produktion dieser Modelle ist für 2011 angedacht.

Außerdem entwickelt das Unternehmen eine 15 kg schwere portable und zusammenklappbare Kleinversion für Camper und das Militär, sie kann in jedem Fluss installiert werden, der tiefer als ein Meter ist. Das Modell Backpack Power Plant-Type 2 (BPP-2) soll 500 W – 600 W leisten, erste Prototypen werden 2010 vorgestellt, der Preis wird 3.000 $ betragen. Um mit der Produktion beginnen zu können sucht das Unternehmen allerdings noch 4 Mio. $ Investitionskapital.

Turbinen, die dem Geröll in Flüssen und Kanälen besonders gut widerstehen, sind eine Spezialität der 2006 in Seattle gegründeten Firma Hydrovolts Inc., die davor unter dem Namen Puget Sound Tidal Power LLC bekannt war.

Als 2005 die Stadt Tacoma, Washington, den Bau eines 16 MW Gezeitenkraftwerks im Puget Sound vorschlägt, beauftragt Tacoma Power, der städtische Energieversorger, Hydrovolts Gründer Burton Hamner und seine damalige Firma Puget Sound Tidal Power im Februar 2007 eine Machbarkeitsstudie zu erstellen. Die im Dezember 2007 vorgelegte Studie ergibt, daß das Projekt eines kommerziellen Gezeitenkraftwerks am Standort Tacoma technisch sehr anspruchsvoll und wirtschaftlich nicht wettbewerbsfähig ist (s.u. Gezeitenenergie).

Hydrovolts setzt ihre Erfahrungen nun für den Einsatz in Wasserläufen um und entwirft gleich drei Arten spezieller Turbinen, die jeweils genug Strom für bis zu drei durchschnittliche amerikanische Haushalte erzeugen können. Auch bei dieser Flipwing Turbine genannten Technologie handelt es sich um einen Querläufer mit Klappflügeln – diesemal vier Stück, die sich um eine horizontale Ache drehen.

Im Februar 2008 ist eine erste Anlage in der Region Seattle im Bau, im Dezember folgt ein größerer Prototyp, der von der Firma Everett Engineering Inc. hergestellt wird. 2009 werden einige Preise gewonnen und das Unternehmen erhält Unterstützung durch die Woods Hole Oceanographic Institution um seine Turbine zu bauen und zu testen. Außerdem wird versucht, eine F & E-Vereinbarung mit der US-Navy abzuschließen.

Mitte 2010 laufen die ersten Tests im Roza Kanal. Daneben arbeitet die Firma auch an einer Kombination von Wind- und Wellenkraftwerk für den Offshore-Einsatz. Der eigentlich für 2010 geplante Produktionsstart wird jedoch auf Mitte 2011 verschoben. Aus Wettbewerbsgründen werden die Produktspezifikationen und erwarteten Preise noch nicht öffentlich bekanntgegeben.

Im Mai 2009 vergibt die Zino Society eine Green Fund Startinvestition von 50.000 $ an Hydrovolts.

Im Juli 2010 setzt Hydrovolts die Flipwing floating turbine in den Roza Kanal ein, wo sie auch erfolgreich arbeitet. Die Installation dauert nur eine Stunde.

DLZ Corp., ein US-amerikanisches Tiefbauunternehmen, investiert im September 2010 einen Betrag von 0,25 Mio. $ in Hydrovolts, um den Prototyp einer produktreifen 25 kW Kanal-Turbine zu entwickeln. DLZ arbeitet an mehreren Wasserkraft-Projekten in Indien, so an einem 10 MW Kraftwerk-Projekt im 14 km langen Chilla Kanal im Norden Indiens, der gegenwärtig Wasser für ein konventionelles Wasserkraftwerk am Ganges heranführt.

Arbeitet die Hydrovolts-Turbine zufriedenstellend, will DLZ 400 Turbinen ordern und in dem Kanal installieren. Das Auftragsvolumen würde rund 20 Mio. $ betragen.

Im April 2008 legt die Startup-Firma Free Flow Power aus Gloucester, Massachusetts, den Plan vor, entlang des Mississippi bis zu 160.000 (!) Unterwasserturbinen zu installieren, die weder den Schiffsverkehr noch die lokalen Ökosysteme stören sollen. Die ummantelten Unterwasserturbinen können z.B. an Stützpfeilern von Brücken angebracht werden. Mit dem 3 Mrd. $ teuren Programm würden 1.600 MW Strom in die Netze geleitet werden können, um damit etwa 1,5 Mio. Haushalte zu versorgen.

Das Unternehmen erhält die Genehmigung der Federal Energy Regulatory Commission, um innerhalb von 3 Jahren 55 Standorte zwischen St. Louis und dem Golf von Mexiko zu untersuchen. Bei positiven Ergebnissen könnte die erste Umsetzungsphase 2012 starten.

Der 20 kW Turbinenprototyp wird durch ein Team aus eigenen und externen Ingenieuren konzipiert und hergestellt, darunter Experten der Sigma Design Co. aus Springfield, New Jersey, Advanced Energy Conversion aus Malta, New York, und Turbo Solutions Engineering aus Norwich, Vermont. Die Turbine besitzt einen Riemen-angetrieben Generator, wobei dieser und der Rotor magnetisch gelagert sind, während sich die Generatorspulen im Außenring befinden. Zum Anlaufen verfügt der Generator zudem über ein hydrodynamisches Lager.

Free Flow Power plant nun, 6 bis 12 Turbinen herzustellen, die 7,5 m über dem Grund des Flusses und mindestens 12 m unter der Oberfläche installiert werden sollen. Hierfür wird ein Standort in Iberville Parish, Louisiana, genehmigt. Die Kapazität vor Ort liegt dem Unternehmen zufolge bei 1.100 Turbinen mit zusammen 22 MW Leistung.

Im Juni 2008 präsentiert die 2006 gegründete HydroCoil Power Inc. aus Wynnewood, Pennsylvania, eine patentierte kleine Wasserturbine, deren Schneckenrotor in Richtung Ablaufseite einen abnehmenden Anstellwinkel aufweist (im Unterschied zur archimedischen Spirale). Die mitsamt verkapseltem Generator 18 kg schwere HydroCoil Turbine ist 85 cm lang, hat einen Durchmesser von 15 cm und soll bis 1,5 kW leisten. Für größere Anlagen kann man die Rohrturbinen bündeln.

Das Unternehmen benötigt nun 350.000 $, um weitere Prototypen herzustellen und an fünf Standorten zu testen. Bei einer Serienproduktion soll die Turbine 1.500 $ kosten.

Die Technologie dieses Schneckenrotors ist bei der im Jahr 2000 gegründeten und ebenfalls in Wynnewood ansässigen Firma FLUIDmotive Inc. entwickelt worden, allerdings als Antriebs- bzw. Pumpsystem. Die Firma gehört auch dem Besitzer der HydroCoil Power. Der sogenannte Ribbon Drive erhält im 2001 und 2002 mehrere Patente, 2003 ist der erste Edelstahl-Prototyp fertig. Vermutlich ist die mangelnde Resonanz der Grund dafür, die Technologie für die Energieerzeugung zu adaptieren.

Die Firma Freeflow69 (s.u. Gezeitenenergie) arbeitet mit der neu gegründeten The Archimedes Screw Company (TASC) ihrerseits an einer Wasserkraft-Turbine, die exakt auf dem Prinzip der archimedischen Schraube basiert. Im Gegensatz zu den sonst auf dem Markt verfügbaren Systemen ist die TASC-Turbine aus verstärktem Kunststoff und besonders für kleinere Standorte mit weniger als 15 kW geeignet. Spätere Anlagen sollen bis zu 50 kW  erwirtschaften.

In England wird die erste Turbine mit archimedischer Schraube 2008 im River Dart Country Park nahe Ashburton installiert, sie hat einen Durchsatz von 1,5 m³/s.

Im Juni 2008 beginnt das österreichische E-Werk Kindberg an der Mürz, das mit zwei Francis-Turbinen ausgerüstet ist, mit der Einspeisung von zusätzlicher elektrischer Energie, die durch eine Restwassermaschine gewonnen wird. Die wirtschaftlichste Lösung, die innerhalb von nur 7 Monaten umgesetzt werden kann, ist eine Wasserkraftschnecke, die zu diesem Zeitpunkt als die weltweit größte gilt. Dabei handelt es sich um eine Umkehrung des Prinzips der Archimedischen Schraube (s.o.)

Das jahrelang ungenutzte Restwasser der bereits 1905 errichteten Wehranlage liefert nun jährlich rund 500.000 kWh Strom. Bei einer Auslegung auf 5 m³/s und einer Fallhöhe von 3,7 m hat die Maschine einen Durchmesser von 3,6 m bei einer Länge von 19 m. Die 24 Tonnen schwere Anlage der BEA Electrics GmbH aus Wien erreicht bei einer Nenndrehzahl von 21 U/min eine Maximalleistung von 142 kW, angeschlossen ist ein 160 kW Generator.

Der Wirkungsgrad liegt zwischen 80 % und 90 %, die Anlage ist robust, verschleiß- und störungsarm, benötigt keine Reinigung und nur wenig Wartung. Im Vergleich zu Turbinenanlagen sind auch nur geringe Tiefbauarbeiten erforderlich. Neben Kindberg sind Wasserkraftschnecken in Österreich auch Niklasdorf bei Brigl & Bergmeister, in Lunz NÖ sowie in Salzburg-Stadt verbaut worden.

Im Juli 2008 geht die erste patentierte Lamellen Turbine der 2002 gegründeten Firma BEW Betrieb und Entwicklung von Wasserkraftanlagen GmbH, Wien, in Betrieb. Der 10 kW Prototyp wird im Wiener Neustädter Kanal installiert und soll einen Wirkungsgrad von bis zu 70 % erreichen. Aufgrund der soliden Rotoren und stabilen Schaufeln verursacht das Wasserrad nur geringe Wartungs- und Reparaturkosten. Der Einsatzbereich dieser Turbinenform beginnt bei Fallhöhen von 0,8 m aufwärts und einem Wasservolumen von mehr als 1 m³.

Im August 2008 unterzeichnen die Firmen Plutonic Power Corporation und GE Energy Financial Services ein Memorandum of Understanding, um an den Mündungen der Flüsse Toba und Bute entlang der südwestlichen Küste von British Columbia ein Laufwasserkraftwerksprojekt mit rund 1.000 MW zu entwickeln. Bei Kapitalkosten in Höhe von ca. 4 Mrd. $ wäre dies die bislang größte privatwirtschaftliche Investitionen in die Wasserkraft-Stromerzeugung in Kanada.

Bei dem Upper Toba Valley Project geht es um eine Serie von drei Standorten mit einer Kapazität von ca. 120 MW, während das Bute Inlet Project 18 Standorte mit einer Kapazität von rund 900 MW umfaßt. Die Projekte befinden sich bereits in der Genehmigungsphase.

Ebenfalls im August 2008 arbeiten Forscher der University of Pittsburgh daran, mit sogenannten ionischen Polymer-Folien Strom für die Stadt Vandergrift in Pennsylvania zu generieren. Der piezoelektrische Materialstreifen besteht aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), das durch die Strömungen und Strudel im Fluß Kiskiminetas hin und her bewegt wird und dadurch elektrischen Strom erzeugt. Mit einer 1,6 km langen Reihe kleiner Plastikwedel ließen sich 20 % bis 40 % des städtischen Strombedarfs decken.

Im Oktober 2008 berichtet die Presse, daß die British Waterways das 2.200 Meilen lange Kanal- und Flußnetz des Königreichs zukünftig als Energiequelle nutzen wollen. Dabei sollen diverse kleine Wasserkraft-Systeme in den Kanälen installiert werden, die gemeinsam mit 50 Windenergieanlagen 100 MW für 45.000 Haushalte erwirtschaften werden. Einen Zeitplan für die Umsetzung gibt es noch nicht.

Einen patentierten Rotor, der sich besonders gut für relativ langsame und flache Flüsse eignet, stellt der slowenische Erfinder Vladimir Markovic aus Ljubljana im Oktober 2008 vor. Technisch entspricht das mit selbständig umklappenden Blättern versehene System dem Hammurabi-Rotor, der im Kapitel Windenergie vorgestellt wird. Die dort genutzen Quellen sprechen allerdings davon, daß das erste Patent bereits aus dem Jahr 1994 stammt.

Einsetzen will Markovic seine sechsblättrigen Rotoren als innovative Pumpensysteme für die landwirtschaftliche Bewässerung, um Luft in das Wasser von Flüssen zu pumpen und diese mit Sauerstoff anzureichern, sowie als hydraulische Antriebe elektrischer Generatoren.

Im März 2009 gibt seine Firma Izumi bekannt, daß man 5 Baugrößen herstellen will (1,6 m /  2,4 m / 3,5 m / 5,5 m / 7 m Durchmesser), deren Preise zwischen 3.500 $ (1,6 m – mit 3 Kolbenpumpen) und 21.000 $ (7 m – mit 3 Lienargeneratoren) liegen sollen.

In der Dezemberausgabe 2008 des Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering veröffentlicht die 2004 gegründete Vortex Hydro Energy, ein damaliges Startup der University of Michigan, den Bericht ihrer Untersuchungen, die natürlichen Schwingungen von fließendem Wasser zur Energieerzeugung zu nutzen. Als Inspirationsquelle werden Fische genannt.

Das mit 2 Mio. $ aus Mitteln des US-Department of Energy und des Office of Naval Research geförderte Ergebnis ist ein stationäres Unterwasser-Gerät, das Elektrizität aus einer Strömunggeschwindigkeit von weniger als 3,2 km/h generieren kann. Dabei werden querliegende Rohre zwischen seitlichen Führungsschienen auf und ab bewegt (s.u. Strömungsenergie).

Ebenfalls im Dezember 2008 stimmt die US Federal Energy Regulatory Commission (FERC) für die Genehmigung und Installation eines kommerziellen Flußkraftwerks im Mississippi, das auf der patentierten Technologie der 2002 gegründeten Firma Hydro Green Energy LLC aus Houston, Texas, beruht. Die US-weit erste Anlage, die ohne jegliche Dammbauten ihre Energie direkt aus dem stömenden Wasser gewinnt, wird umgehend installiert, im April 2009 folgt die zweite der beiden 35 kW Einheiten, die ihren sauberen Strom in das Netz der Stadt Hastings, Minnesota, liefern.

Technisch handelt es sich um ummantelte Rotoren konventioneller Bauart, die von Schwimmkörpern herabhängen und daher schnell und einfach eingesetzt werden können.

Das vom Quercus Trust finanzierte Unternehmen hat mittel- bis langfristig den Plan, 5 GW Energie aus zwei in den Golf von Mexiko mündenden Flüssen zu gewinnen. Weitere Projekte sind in Alaska, Maine, Minnesota und New York in Vorbereitung, außerdem will die Firma ihre Systeme auch im Bereich der Meeresstömungen und Gezeitenenergie einsetzen.

Im Bereich der Designs erscheint Ende 2008 eine weitere Winzturbine, die speziell für den Wasserkreislauf von Schwimmbecken gedacht ist. Das Ecolights genannte Konzept des Designers Lysandre Follet nutzt die Strömung der Filter-Pumpe um eine kleine Turbine anzutreiben, die wiederum eine Reihe von LEDs zum Erleuchten bringt. Diese Lösung ist auf jeden Fall weitaus sicherer als 500 W Unterwasser-Strahler...

Um eine Fußgängerbrücke im irischen Ballybofey, Donegal County, zu beleuchten, wird im Frühjahr 2009 unter dieser eine Mikro-Hydro-Turbine installiert, die mit dem Wasser des Flusses Finn betrieben wird. Die 110 W ‚hydro light’ Turbine von LH Ecotech (Preis: 3.000 €) soll eine Batterie aufladen, die nachts eine 30 W LED-Straßenlampe versorgt. Zwei weitere Lampen werden von einem Solarpaneel mit Strom gespeist.

Die weltweit erste bewegliche, über- und unterströmbare Wasserkraftanlage der Firma Hydro-Energie Rohr GmbH aus Karlsruhe wird Mitte 2009 für den Anlagenstandort Sophienwehr/Ilm in Bad Sulza gebaut. Die Anlage, die sich automatisch dem Wasserstand anpaßt, erzeugt 60 kW elektrische Leistung, was pro Jahr etwa 400.000 kWh Strom entspricht.

Das Krafthaus, welches die Turbine und den Generator enthält, besteht aus einem 18 m langen und 5 m breiten Stahlkörper, der komplett unter der Wasseroberfläche liegt. Er ist in einen nach oben offenen Betontrog eingebettet und an seinem oberen Ende drehbar gelagert. Bei niedrigem Wasserstand liegt das Krafthaus mit seinem unteren Ende auf dem Boden des Betontrogs auf. Führt der Fluß viel Wasser, wird es automatisch über Hydraulikzylinder bis zu 2,5 m nach oben geschwenkt, sodaß der Stahlkörper oben und unten vom Fluß umströmt wird. Dadurch entsteht am Ende des Krafthauses ein starker Sog, der die Druckunterschiede in der Turbine erhöht und rund 10 % mehr Strom gewinnt als ein herkömmliches Kraftwerk gleicher Größe.

Das System ist besonders umweltschonend, da Fische, Geröll und Treibgut die Anlage darüber und darunter passieren können. Ebenso ist die Wanderung von Fischen gegen den Strom möglich. Die DBU fördert die Pilotanlage und Studie mit 285.000 €. Eine größere Unterwasser-Kraftanlage ist bereits im Bau, die geplante Inbetriebnahme ist 2010.

Im August 2009 präsentiert Sarfraz Ahmad Khan aus Islamabad, Pakistan, der uns schon zuvor begegnet ist (s.o.) das Konzept eines weiteren Wandlers für Strömungsenergie, der aus zwei umlaufenden, stufenförmigen Schaufeln besteht (Push Plates). Bislang existieren allerdings erst einige Graphiken, von einer Umsetzung ist mir nichts bekannt.

Demgegenüber sinnvoller und auch viel leichter zu installieren ist die Entwicklung von Mike Lowery und Paul Price, die ebenfalls im August 2009 unter dem Namen Hydro-Electric-Barrel Generator (HEB) vorgestellt wird. Das System ist in so ziemlich jeder Art von Fluß einsetzbar, unabhängig von der Wassertiefe oder Strömungsgeschwindigkeit. Das kleine Strom-Faß aus einem, im Stück geformten und profilierten Kunstoffmaterial besitzt zwei integrierte Planetengetriebe an den Seiten, welche die ebenfalls installierten und mit stationären Spulen versehenen Permanentmagnet-Generatoren antreiben.

Eine weitere – hier abgebildete – Bauversion kann zusätzlich zur Strömung auch die Wellenenergie nutzen um Strom zu erzeugen. Dabei steigt und fällt das ‚rollende Faß’ und bewegt damit einen linearen Generator. Im November 2009 startet das Team, das inzwischen von einer (ungenannten) Technologie- und Entwicklungsfirma unterstützt wird, mit dem Bau von 2 kW Prototypen mit einer Faßbreite von 1,5 m, und schon im Mai 2010 wird ein Standort für die Testläufe gesucht.

Im November 2009 meldet die N-ERGIE AG aus Nürnberg, daß ein zwischen Juni und Oktober in der Kernmühle bei Roßtal, Mittelfranken, getesteter 10 k W Prototyp eines Stromrichters für Kleinstwasserkraftwerke mit Asynchrongeneratoren eine um 12 % höhere Stromproduktion bewirkt hat. Das Projektteam schätzt das Steigerungspotential sogar auf 20 %.

Der am Institut für Leistungselektronische Systeme (ELSYS) der Georg-Simon-Ohm-Hochschule in Nürnberg entwickelte Maschinenumrichter entkoppelt die Drehzahl des Generators vom Stromnetz. Seine Elektronik erlaubt bei niedrigen Wasserständen eine wesentlich längere Nutzungszeit und selbst bei Niedrigstständen muß der Generator nicht abgeschaltet werden, sondern speist weiter in das Stromnetz ein. Bei einer zügigen Weiterentwicklung bis zur Serienreife könnte das Produkt 2011 auf den Markt kommen.

Nach zwei Jahren Bauzeit nimmt im März 2010 der auf erneuerbare Energien und Bioarchitektur spezialisierte und 35.000 m² große ‚Envipark’ (Environmental Park) in Torino, Italien, ein besonders kostengünstiges Mini-Wasserkraftwerk in Betrieb, dessen Kernstück ein von der Officine Impianti Meregalli Srl aus Monza gelieferte 2 m hohe Turbine ist, deren Schaufeln sich automatisch an die Fließgeschwindigkeit des Wassers anpassen. Bei 250 U/min kommt sie auf eine Nennleistung von 670 kW und eine Jahresproduktion von 3,8 Mio. kWh und ist damit in der Lage, bis zu 80 % des Energiebedarfs des Envipark zu decken, in dem 20 auf nachhaltige Technologien spezialisierte Start-ups untergebracht sind.

Es ist die weltweit erste Anlage ihrer Art, die in einer städtischen Umgebung installiert wird. Angesichts des staatlich garantierten Vergütungstarifs von 22 Cents je kWh soll sich die 3,5 Mio. € Investition in dreieinhalb bis vier Jahren bezahlt machen.

Mitte 2010 bekommt das abgelegene Örtchen Eagle (68 Einwohner) in Alaska von der Alaska Power & Telephone ein Flußkraftwerk mit einer langsamdrehenden 25 kW Turbine der Firma New Energy Corp. installiert, die ohne Dammbau auskommt. Der Ort wird dadurch zu dem US-weit einzigen, der ausschließlich durch ein Fluß-Generator versorgt wird.

Die in Calgary, Alberta, beheimatete New Energy ist 2003 gegründet worden und liefert ihre EnCurrent Power Generation Systeme bereits in den Baugrößen von 5 kW, 10 kW und 25 kW, außerdem wird die Entwicklung von größeren Anlagen mit 125 kW und 250 kW Leistung vorangetrieben.

Das interessante ist, daß es sich bei den Turbinen des Unternehmes um Senkrechtachser des Darrieus-Typs handelt, die sonst nur selten ihren Weg in das flüssige Medium finden.

Doch nicht nur in weit entfernten Ländern, sondern auch in der unmittelbaren Nachbarschaft wird die Nutzung der Fließenergie des Wassers angestrebt. Im Juni 2010 kündigt Paris den Plan an, acht Wasserturbinen in der Seine zu installieren. Eine stadtökologische Studie der Verwaltung der Französischen Wasserstraßen hat bereits vier potentielle Standorte unterhalb von Brücken entlang des Flusses ermittelt, nun werden von Unternehmen Vorschläge für mögliche Lösungen und Technologien eingeholt.

An den Brücken Pont du Garigliano, Pont de la Tournelle, Pont Marie und Pont au Change sollen jeweils 2 Turbinen angebracht werden, da sich die Strömung dort besonders stark beschleunigt. Die Stadt hofft, die Wasserturbinen bereits im Frühjahr 2011 in Betrieb nehmen zu können.

Im Juli 2010 stellen Studenten der Cambridge University einen kleinen, transportablen 1 kW Laufwasser-Generator vor, der wie ein umgekipptes Windrad wirkt. Das Modell wird unter dem Namen FloDrive Turbine auf der Cambridge Manufacturing Engineering Design Show gezeigt und zeichnet sich duch eine besonders leichte Installation aus, da es vom Ufer aus mittels eines Auslegers einfach ins Wasser gehängt wird.

Ebenfalls im Juli 2010 wird auf der Elbe in Magdeburg eine neuartige, auf dem Wasser schwimmende Wasserkraftanlage getestet, die weder die Schiffahrt auf der Elbe behindert, noch in die umliegende Vegetation eingreift. Initiiert wird das Pilotprojekt durch die 1992 gegründete EHG Energie Handel GmbH mit Sitz in Hannover.

Die 16 m lange und 6 m breite Wasserkraftanlage Anlage am Petriförder, Magdeburgs Elb-Promenade, verfügt über eine Leistung von 130 kW und erinnert optisch an einen Katamaran, in dessen Mitte ein Schaufelrad befestigt ist. Der Ertrag reicht aus um 300 Haushalte zu versorgen. Bei der gegenwärtigung Auslegung des Schaufelrades benötigt die Anlage eine Eintauchtiefe von 1,20 m um gute Leistungen zu erzielen. Das Foto hat mir dankenswerterweise Flo aus dem Fachforum dasWindrad.de zugesandt. Die Leistungszahlen sind allerdings nicht nachvollziehbar und sollten mit Vorsicht genossen werden.

Die in Magdeburg neu gegründete EHG-Tochterfirma NEW erneuerbare energien GmbH soll diese Flußkraftwerke nun in Deutschland und weltweit bekannt machen. Die Anschaffungskosten werden auf 200.000 € beziffert, inklusive aller Genehmigungen und Standortsbefestigungen an Land. Beim Update dieser Seite Mitte 2011 sind leider keine verifizierbare Informationen erhältlich.

Ähnliche Systeme, die allerdings wesentlich transparenter gehandhabt werden, sind am Ende des vorangegangenen Kapitelteils aufgeführt.

Hinweis: Die Technik der Nutzung von Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Flüssen zur Energieerzeugung behandle ich übrigens im Rahmen der Meereskraftwerke unter dem Begriff Temperaturgradient.

...und am letzten Sonntag im September eines jeden Jahres können wir der Energie unser Flüsse gedenken, nachdem am 25.09.2005 erstmals der World Rivers Day gefeiert wurde. Grundlage ist der seit 30 Jahren zelebrierte Rivers Day in Kanada.

Gravitationswasserwirbelkraftwerk (GWWK)

Abschließen möchte ich das Thema Laufwasserkraftwerke mit dem Hinweis auf eine weitere österreichische Innovation: Das geniale Gravitationswasserwirbelkraftwerk (GWWK) von Franz Zotlöterer, der seinen ersten und auf Anhieb erfolgreichen Prototypen im Jahr 2006 baut.

Die Technik und ihre Entwicklung beschreibe ich ausführlich im Kapitel Wirbelströmung III (Teil D) - und ich empfehle dringlichst eine genaue Lektüre dieser begeisternden Technologieumsetzung. Im Archiv befindet sich zudem eine Präsentation des Erfinders selbst (pdf).

2009 wird in der Schweiz eine Genossenschaft gegründet, die in nur wenigen Monaten im Kanton Aargau das erste eidgenössische Wasserwirbelkraftwerk ans Netz bringt.

Der Kanton Aargau, die EKZ Elektrizitätswerke des Kantons Zürich und der Technopark Windisch unterstützen die Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz im Bereich Forschung & Entwicklung. Im Technopark entsteht hierfür eine 1:5-Testanlage am Fluss Reuss.

Von April bis Oktober 2010 läuft eine Fischdurchgängigkeits-Studie an dem Wasserwirbelkraftwerk, und am 25. September 2010 erhält dieses den Namen ,Dr. Bertrand Piccard’ – der es in seiner Rolle als Initiant der Solarflugzeug-Projektes ‚Solar Impuls’ (s.d.) höchstpersönlich tauft.

Im Januar 2011 wird die Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz vom Bundesamt für Energie (BFE) mit dem Schweizer Energiepreis ,Prix Watt d’Or’ ausgezeichnet.

Zu diesem Zeitpunkt sind in der Schweiz über zehn konkrete weitere Projekte gestartet und Konzessionsverfahren eingeleitet worden, weitere rund 30 machbare Standorte sind bereits nachgewiesen und auf die KEV Liste des Bundes gesetzt worden. Zusätzlich zu über 30 internationalen Kontakten sind aktuell über 150 potentiell geeignete Projekte in Vorbereitung. Da auch ich inzwischen Mitglied der Genossenschaft bin, werde ich die weitere Entwicklung der GWWK-Technologie aus nächster Nähe mitverfolgen.

Im September 2011 lädt die Berufsschule Zofingen zur Präsentation eines mobilen Mikro-Wasserwirbelkraftwerks, das von vier Berufslehrmaturanden – drei angehende Konstrukteure und ein Polymechaniker – im Auftrag der Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz (GWWK) entwickelt und gebaut wurde. Der für Forschung, Umwelt- und Hilfsorganisationen gedachte Prototyp kann z.B. Meßstationen an Flüssen und Gewässern mit erneuerbarer Energie versorgen. Finanziert wurden die Arbeiten im Umfang von über tausend Arbeitsstunden ausschließlich durch Sponsoren.

Das 3 x 0,5 x 0,5 m große Mikro-Wasserwirbelkraftwerk liefert die zum Betrieb einer Meßstation geforderte Leistung von mindestens 50 – 100 W und ist mit einem Lithium-Ionen-Akku zur Stromspeicherung ausgerüstet. Er kann ab einem Wassergefälle von 40 cm und einer Wassermenge von 20 Litern pro Sekunde eingesetzt werden. Größe und Art der Rotoren lassen sich nach Bedarf auswechseln. Das Kraftwerk kann in drei Teile zerlegt werden, und weder für den Aufbau noch für den Transport ist schweres Gerät erforderlich. Serienreif werden soll das Mikro-Kraftwerk in einem halben bis einem Jahr. Es bestehen bereits erste Kontakt zu Hilfsorganisationen, die an der Technologie interessiert sind.

Einer der Sponsoren ist übrigens die Firma vorteco ag von Claude Urbani, Annie Scharbatke und Patrick Blétry mit Sitz in Tegerfelden, Schweiz, die sich als Technologieführer für modulare Vortex Power Plant - Kompaktkraftwerke bezeichnet. Eigene Umsetzungen werden bislang keine genannt, seit 2014 scheint die Firma auch zu ruhen.

Ebenfalls im Jahr 2011 beginnt die Firma Käppler & Pausch GmbH aus Neukirch/Lausitz mit dem Bau einer Pilotanlage an der Wesenitz in Großharthau nahe Dresden. Das Unternehmen hatte zuvor den Nachweis der Funktionstüchtigkeit durch den 2009 erfolgten Bau einer Modellanlage erbracht. Entwickelt worden sei das System von der Firma ecoligent von Klaus Petrasch in Schmölln-Putzkau, über die aber sonst nichts zu erfahren ist.

Die Pilotanlage, die ein bestehendes Wehr ergänzt, welches unter Denkmalschutz steht, hat je nach Wasserstand eine Leistung von 3 - 5 kW. Nachdem die Anlage im Juni 2013 in Betrieb genommen wird, dient sie dem Test weiterer Entwicklungsschritte, dem Nachweis der Fischdurchgängigkeit und als Anschauungsobjekt für Interessierte. Eine besondere Herausforderung der Entwicklung sei die Geometrie der Turbinenschaufeln gewesen, die leider nicht genauer beschrieben wird.

Da noch weitere Entwicklungsschritte getestet werden, sind bislang keine belastbaren Ertragsdaten vorhanden. Rechnerisch beträgt der Gesamtwirkungsgrad der Pilotanlage 50 %.

Pressemeldungen vom Februar 2013 berichten, daß nun in Thailand und Chile erste Anlagen in Betrieb gegangen sind, und auch in Japan sollen bald zwei von 40 geplanten Wirbel-Kraftwerken starten. Interessant ist die Reaktion eines Lesers, der – leider ohne genauere Angaben – davon berichtet, daß er bereits 2008 in kleinen Dörfern im Norden von Laos ganz ähnliche Anlagen gesehen hätte, deutlich einfacher in der Konstruktion, aber nach dem gleichen Prinzip funktionierend.

Im Juni 2016 erhalte ich dann die Meldung über den Konkurs der Schweizer Gensossenschaft. Angesichts der bislang unklaren Situation hat mich Herr Zotlöterer gebeten mitzuteilen, daß er im alleinigen Besitz des entsprechenden Patents sei (CH-Nr. 699133), während die Aktivtäten der Genossenschaft eine Patentverletzung darstellen.

Im Gegenzug erreicht mich aber auch ein Schreiben des Vereins, demzufolge die Europäische Patentanmeldung von Zotlöterer seit Juli 2010 als zurückgenommen gilt, nachdem das Europäische Patentamt im April 2009 festgestellt hatte, daß die dort aufgeführten Ansprüche im Vergleich zum Stand der Technik nicht neu seien. Das 2008 in der Schweiz angemeldete Patent auf Grundlage des ursprünglichen österreichischen Patents (AT-Nr. 505243 von 2007; vgl. A 1728/2009 bzw. A 306/2010) sei vom Patentamt noch gar nicht bearbeitet worden, da dieses mit dem Hinweis auf ältere Patente bekanntes Wissen geltend macht – woraufhin die GWWK den Patentlizenzvertrag mit Franz Zotlöterer gekündet habe.

Es existieren zudem mehrere internationale Patentanmeldungen von Zotlöterer (WO 2004/061295, WO 2008/141349 bzw. WO 2011/051421). Unter dem Titel ,Wasserkraftanlage, gibt es außerdem ein deutsches Patent (DE-Nr. 112010004236, angemeldet 2010, veröffentlicht 2015).

Tatsächlich läßt sich bei einer vertiefenden Recherche ein Patent von Kenard D. Brown aus Casper, Wyoming, dem Jahr 1967 finden (,Power generating method and apparatus’, US-Nr. 3.372.905, erteilt 1968), das eine große Ähnlichkeit mit dem Zotlöterer-System hat, auch wenn es etwas komplizierter wirkt und das Becken nicht rund ist.

Eine Wasserturbine, die Wasserwirbel ohne große Wasserhöhenunterschiede nutzen soll, meldet Gerhard Lauermann aus Berlin im Jahr 1993 an (DE-Nr. 4314820, erteilt 1994). Und eine Firma Vortex Holding Co. in Avenel, New Jersey, beantragt 1999 das Patent für einen ,Vortex attractor’, bei dem es ebenfalls um die Abwandlung einer Wirbelströmungsturbine handelt (US-Nr. 6.565.321, erteilt 2003). Als Erfinder werden Lewis Illingworth und David Reinfeld genannt.

Ein weiteres Patent, das auch etwas strömungsdynamischer gestaltet ist, stammt von Thomas Louis aus Frankreich (FR-Nr. 2813643, angemeldet 2000, erteilt 2002). Wobei der Patenttitel fast komplizierter ist als die ganze Anlage: ,Device, for converting hydraulic energy, consists of vertical duct, with lower part fitted with pyramidal-cylinder and upper part with spiral tube and turbine, with curved paddle blades’.

Allerdiungs ist in allen vorstehenden Fällen nichts von einer praktischen Umsetzung bekannt.

Dies ist anderes der Fall beim Kouris Centri-Turbine Generator (KCT), von dem immerhin schon eine Pilot-Anlage existiert, die pro Tag bis zu 10,5 KWh bereitstellt (andere Quellen: bis 12 KWh). Mit einem Vortex-Durchmesser von 2 m und einer Wirbeltiefe (d.h. einem Fall) von nur 60 cm benötigt der KCT hierfür nur ca. 110 Liter Wasser pro Sekunde.

Der KCT wird von seinem Erfinder, dem griechischstämmigen, australischen Anwalt Paul Steven Kouris und dessen Firma Kourispower Pty Ltd. als die weltweit erste patentierte Turbine bezeichnet, die mit dem Spin des Wassers – im Unterschied zum Fall – betrieben wird und die Energie des Wirbels bzw. die Corioliskraft nutzt.

Kouris hat eigenen Aussagen zufolge schon als Student vor vielen Jahren das Potential von Wasserwirbeln erkannt, um Strom erzeugen, behält das Geheimnis über 20 Jahre lang aber für sich. Eine erste Meldung erscheint allerdings schon 1975.

Im Jahr 1996 erarbeitet Kouris schließlich die Pläne für seine Turbine, die er im Januar 1997 unter dem Namen ,Hydraulic turbine assembly’ zum Patent anmeldet (US-Nr. 6.114.773, erteilt 2000). 1998 folgen mehrere europäische Anmeldungen (z.B. EP-Nr. 1131556) sowie eine internationale (WO 2000/23708). Im Juli 2000 wird der KCT-Generator vom US-Fernsehsender ABC vorgestellt.

Danach scheint es lange Zeit nicht weiterzugehen, bis Kouris im April 2008 eine staatliche Finanzierung erhält, um am Steavensons River in der Nähe von Marysville, im östlichen Victoria, eine Pilot-Installation aufzubauen – nach „einem harten Kampf, um die Wissenschaftler und Regierungsvertreter von dem Potential seines neuen Turbinenentwurfs zu überzeugen.“ Kouris behauptet, daß seine ab 2004 erfolgten Experimente mit einer kleinen 1 kW Test-Tank-Installation in Kalorama belegen würden, daß sich mit der Turbine 27 % mehr Energie aus dem Wasser erzeugen läßt, als mittels traditionellen Methoden.

Die Finanzierung fließt, nachdem im Jahr 2007 durchgeführte Tests an der University of Ballarat in Australien belegen, daß der Wirbel-Effekt tatsächlich eine geringe zusätzliche Leistung zur Verfügung stellt – über jene hinaus, die alleine durch den Schwerkraft-bedingen Fall des Wassers entsteht. Weitere Versuche werden im Folgejahr an der George Washington University in den USA durchgeführt.

Die Pilotanlage wird im August 2008 in Betrieb genommen, von den Bränden im Februar 2009 und dem darauf folgenden Versanden des Steavensons-Flusses allerdings außer Funktion gesetzt. Nach einer erneuten Installation im Juli 2010 stellt Kouris die endgültige Form seiner Erfindung, die über 9,5 kWh pro Tag liefert, Ende August 2010 Unternehmen, Behörden und den Medien vor.

Im September 2010 meldet der Lizenznehmer der KCT, der Hersteller Alternative Power Systems (APS) aus Braeside, daß er den Antrag auf einen Zuschuß für den Bau und die Installation einer kommerziellen, 10 m großen Pilotanlage am Mulwala-Kanal gestellt habe. Die Arbeit an der Pilot-Anlage soll während zweite Hälfte des Jahres 2012 und mit der Unterstützung der Firma Murray Irrigation Ltd. beginnen.

Im Mai 2012 wird Rohan Searle, Präsident der Searle Unternehmensgruppe, exklusiver KCT-Lizenznehmer für Australien. Im Oktober präsentiert er in Campbellfield die erste kommerzielle Prototypeneinheit. Die Einheit ist transportabel, hat 2 m im Durchmesser und ist 2 m hoch. Sie besteht aus Industrie-Kunststoff, besitzt einen 40 cm Einlaß/Auslaß und soll mit 300 – 500 Litern pro Sekunde etwa 5 kW produzieren.

Die Installation der Anlage unter dem Namen Marysville 5kW KCT Mark 2 wird allerdings erst im September 2013 beendet und an das Netz angeschlossen. Laut Searle handelt es sich um den weltweit ersten freistehenden Turbinengenerator. Schon das Öffnen des Ventils um wenig mehr als 2 Umdrehungen (von ca. zwanzig, die erforderlich sind, um es vollständig zu öffnen) bildet einen perfekten, leistungsfähigen Wirbel, der die Turbine bei ~ 180 U/min dreht. Dieser soll sich durch die selbstzentrierende Zentripetal-Aktion bereits mit nur ~ 200 Litern pro Sekunde erzielen lassen.

Außerdem beantragt Kouris im April 2014  fleißig weitere Patente (z.B. EP-Nr. 3036432; US-Nr. 20160177911; WIPO-Nr. WO/2015/017881).

Nach einer Meldung vom Mai 2014, derzufolge nun in Nordgriechenland in Porogia,nicht weit von Thessaloniki, die erste europäische KCT Mark 2 durch den Exclusiv-Lizenznehmer für Europa und Indien, die Firma Kapa Lamda Pty Ltd., installiert  worden sei, gibt es bislang keine Neuigkeiten. Ansonsten wird nur auf unzählige Lizenzabkommen verwiesen – die bislang aber ohne Umsetzung geblieben sind.

Doch wirbeln tut es auch noch woanders. So wird beispielsweise der tschechische Erfinder, Bauingenieur und Dozent Miroslav Sedláček mit seinem kleinen Wasserkraftwerk Finalist beim Europäischen Erfinderpreis im Juni 2016 – gehört dann allerdings doch nicht zu den Gewinnern. Gemeinsam mit Kollegen der Technischen Universität Prag hatte Sedláček zwölf Jahre lang an einer neuartigen Turbine getüftelt, die auch bei sehr langsamen Fließgeschwindigkeiten Strom produziert, indem sie die Energie kleiner Wasserstrudel nutzt.

Der Durchbruch wird durch Anwendung eines interessanten hydrodynamischen Prinzips erzielt: der Wirbeldynamik, die enorme Mengen an Energie freisetzen kann.

Bei der Erfindung handelt es sich um einen rohrförmigen Behälter etwa von der Größe einer Mikrowelle, der wie eine Boje auf der Oberfläche beispielsweise eines Baches oder eines kleinen Flusses schwimmt. Unterhalb der Wasseroberfläche leitet die Turbine den natürlichen Wasserstrom durch eine runde Welle. Infolge des Wirbelstromprinzips wird der Wasserdruck mit erhöhter Saugwirkung nach oben gerichtet. In der Turbinenwelle versetzt die starke Vortexenergie eine an einer Generatorwelle befestigte Vorrichtung in Drehung, die wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird.

Das Besondere an dem neuen Wasserkraftwerk mit einer Nennleistung von 100 – 400 W ist, daß es auch dann funktioniert, wenn weniger als zwei Liter pro Sekunde hindurchfließen. Bei Wirkungsgraden von 50 – 60 % lassen sich aus Bächen und kleinen Flußläufen pro Tag somit bis zu 10 kWh gewinnen. Das Patent für die Flüssigkeitsturbine war von der Universität eingereicht worden, als Erfinden sind dort neben Sedláček noch Vaclav Beran und Jiri Novak genannt (EP-Nr. 2171260, angemeldet 2008, erteilt 2011).

Nachdem das Turbinendesign 2008 auf der 6. Internationalen Messe für Erfindungen in Suzhou, China, den Copper Award erhält, wird es 2013 mit dem WIPO Inventor Award, und 2014 mit dem E.ON Energy Globe Award ČR in der Kategorie Ideen ausgezeichnet.

Die schaufellose Turbine wird seit Juni 2015 durch das neu gegründete, in Palm Beach, Florida, ansässige Unternehmen Vortex Hydrokinetics LLC unter dem Markennamen SETUR Bladeless Turbine in 16 Ländern vermarktet und soll auch vom deutschen Energiekonzern E.ON im Hinblick auf die kommunale Energieerzeugung geprüft worden sein. Das Start-up ist eine Tochter der US-Firma Ocean Energy Industries, einem Wellenenergie-Unternehmen, welches die blattlose hydrodynamische Turbine auch bei Wellen- und Gezeitenkraftwerken einsetzen will.

Darüber hinaus wird die Erfindung seit Oktober 2015 durch das in Prag ansässige Unternehmen P.F-Economy Consulting Ltd. unter dem Markennamen Bladeless Rolling Turbine (BRT) vermarktet, wobei die BRT für kleinere Anwendungen in Flüssen und Bächen ausgelegt ist.

Dem Stand von 2016 nach bietet die Vortex Hydrokinetics drei grundlegende Turbinentypen an: 1. mit hermetisch abgedichtetem Generator, 2. mit Peripherie-Generator und 3. mit voll eintauchbarem Ringgenerator. Dazu gibt es drei Rotorgrößen zur Auswahl: 140 mm (Nennleistung 50 W; Maximale Leistung 100 W, Preis 220 – 280 $), 320 mm (500 W/750 W, 1.550 – 1.600 $) und 680 mm (5 kW / 7,5 kW, 12.900 – 13.800 $). Ob es schon zu Verkäufen gekommen ist, ist nicht bekannt.

Wasserfall

Eine energetische Ausnutzung natürlicher Wasserfälle, d.h. ohne den Bau von Staumauern, findet meines Wissens nicht statt.

Ein Beispiel hierfür sind die Niagara-Fälle: Nur 25 - 50 % des Wassers stürzt touristenanziehend in die Tiefe, während die Kraft der größeren Wassermenge mittels entsprechender Wehre und Staustufen gemeinsam von den USA und Kanada zur Stromerzeugung genutzt wird. In Stichworten:

• Fallhöhe 52 m (kanadischer Teil)
• Durchschnittliche Wassermenge 4.200 m³/s
• Maximale Energieleistung 4,4 GW
• Kanadischer Teil 2,4 GW
• Erstes Kraftwerk 1895/96 mit 75 MW

Und um die Dimension der Wasserkraft etwas griffiger darzustellen sei erwähnt, daß schon ein bescheidener Bach bei einer Falltiefe von wenigen Metern eine Leistung 20 kW erbringt. Ein kleines Wasserwirbel-Kraftwerk - wie oben erwähnt -, ermöglicht sogar schon bei Falltiefen um nur einem Meter eine Leistung von rund 8 kW!

Zu den überhaupt größten Kraftwerken der Welt gehören daher auch die Staudämme, mit denen wir uns als nächstes beschäftigen werden.

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