{"id":5020,"date":"2025-11-12T05:42:13","date_gmt":"2025-11-12T04:42:13","guid":{"rendered":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/?p=5020"},"modified":"2026-04-15T09:19:49","modified_gmt":"2026-04-15T07:19:49","slug":"regenerative-energien-wasserkraft-grundlagen-turbinen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/regenerative-energien-wasserkraft-grundlagen-turbinen\/","title":{"rendered":"Regenerative Energien, Teil 3: Wasser"},"content":{"rendered":"\n

Regenerative Energien, Teil 3<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Wasserkraft<\/h1>\n\n\n\n

Wasserkraftanlagen geh\u00f6ren zu den regenerativen Energiequellen. Sie beruhen auf der indirekten Nutzung von Sonnenenergie, die als Antrieb der Luftmassenbewegung dient  und dadurch den nat\u00fcrlichen Wasserkreislauf unterh\u00e4lt. Dieser entsteht, wenn Wasser durch Sonnenbestrahlung verdunstet und in Gestalt von Wolken aufsteigt. Die Wolken werden vom Wind versetzt und entleeren ihre Wasserfracht  bei Abk\u00fchlung durch Kondensation in Form von Regen (Niederschlag). Geschieht dies \u00fcber dem Festland, sammelt sich das Niederschlagswasser in B\u00e4chen und Fl\u00fcssen und flie\u00dft in tiefer gelegene Regionen, um erneut zu verdunsten (Bild 1)<\/mark><\/strong>.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"Nat\u00fcrlicher
Bild 1: Der nat\u00fcrliche Wasserkreislauf beruht auf Verdunstung, Luftbewegung, Niederschlag und Flie\u00dfwasser. <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Einem derartig geschlossenen Wasserkreislauf kann man die dem Wasser in Seen und Fl\u00fcssen enthaltene potentielle oder kinetische Energie entziehen und sie in die gew\u00fcnschte Nutzenergieform umwandeln. In der vorelektrischen Zeit waren dies ausschlie\u00dflich mechanische Anwendungen wie Getreide-, Walk- und Papierm\u00fchlen, Hammer- und Pochwerke, S\u00e4gegatter, Pumpen usw. Letztlich lie\u00df sich so Muskelkraft durch Sonnenenergie ersetzen, die auf Wasserkraft basiert.<\/p>\n\n\n\n

<\/div>\n\n\n\n

Die Anf\u00e4nge \u2013 Sch\u00f6pfrad und Archimedische Schraube<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Der Antrieb von technischen Vorrichtungen wie Sch\u00f6pfr\u00e4dern, M\u00fchlsteinen, Winden usw. war mit der Muskelkraft von Tieren und Menschen \u00fcblich, bevor dazu die Wasserkraft genutzt wurde. Bereits vor 5000 Jahren wurden in China und Mesopotamien erste Sch\u00f6pfr\u00e4der zur landwirtschaftlichen Bew\u00e4sserung betrieben. In babylonischen Gesetzestexten finden Sch\u00f6pfr\u00e4der Erw\u00e4hnung, die unter staatlichen Schutz gestellt waren. An den durch Tiere oder Menschen angetriebenen Sch\u00f6pfr\u00e4dern waren Tongef\u00e4\u00dfe angebracht, die sich beim Durchgang durch einen Fluss, Kanal oder Brunnen mit Wasser f\u00fcllten, durch die Drehung des Rads angehoben und im Gipfelpunkt in ein h\u00f6her gelegenes Bew\u00e4sserungssystem entleert wurden. Der Antrieb erfolgte durch G\u00f6pel- oder Tretr\u00e4der (Bild 2)<\/mark>.<\/p>\n\n\n\n

Beim G\u00f6pelrad wird eine waagrechte, am Au\u00dfenrand \u201egezahnte\u201c Scheibe mit vertikaler Achse von einem umlaufenden Esel oder Ochsen in eine Drehbewegung versetzt, die man durch Stirn- und Kegelr\u00e4der in Drehzahl und Orientierung an den Verwendungszweck anpasste. Das Tretrad wurde als Trommel mit horizontaler Achse ausgef\u00fchrt. Angetrieben wurde es, indem in seinem hohlen Inneren Mensch oder Tier durch das stetige Laufen Muskelkraft freisetzten.<\/p>\n\n\n\n

\"Anfangszeit
Bild 2: In der Anfangszeit der Wasserf\u00f6rderung wurde daf\u00fcr noch tierische oder menschliche Muskelkraft eingesetzt.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Weiterentwicklung zu einem Wasserrad, das durch kinetische Energie des flie\u00dfenden Wassers angetrieben wurde, erw\u00e4hnte erstmals der griechische Ingenieur Philon von Byzanz um das Jahr 200 v. Chr. schriftlich. Der r\u00f6mische Architekt und Ingenieur Vitruv (ca. 80-15 v. Chr.) schrieb: \u201eMan macht in Fl\u00fcssen Sch\u00f6pfr\u00e4der auf dieselbe Weise.<\/em> (Anmerkung: d. h. als Tretr\u00e4der). \u201eNur befestigt man au\u00dfen an den Sch\u00f6pfr\u00e4dern Schaufeln, welche von dem Andrange des Wassers, durch ihr Vorw\u00e4rtsgehen die R\u00e4der zwingen, sich zu drehen und so in dem K\u00e4stchen das Wasser sch\u00f6pfend und nach oben bringend, leisten sie ohne die Arbeit des Tretens, durch die Str\u00f6mung des Flusses selbst umgedreht, die n\u00f6tigen Dienste. Auf dieselbe Weise werden auch die Wasserm\u00fchlen getrieben.\u201c <\/em>(Quelle: Dr. Albert Neuburger: \u201eDie Technik des Altertums\u201c, erschienen 1919 in R. Voigtl\u00e4nder`s Verlag, Leipzig).<\/p>\n\n\n\n

An dieser Stelle sei bemerkt, dass Vitruv auch unterschl\u00e4chtige Wasserr\u00e4der beschrieb, die \u00fcber ein Getriebe den M\u00fchlstein einer Getreidem\u00fchle in Bewegung setzten (Bild 3)<\/mark>. Franz von Reber (1834-1919), Professor der Arch\u00e4ologie in M\u00fcnchen, \u00dcbersetzer und Interpret zahlreicher Werke von Vitruv, beschrieb die Abbildung so: \u201eAuf dieselbe Weise<\/em> (Anmerkung: d. h. durch das unterschl\u00e4chtige Wasserrad) werden auch die Wasserm\u00fchlen betrieben, bei welchen sonst alles dasselbe ist mit Ausnahme des Umstandes, da\u00df an einem Ende der Welle ein Zahnrad (a) l\u00e4uft. Dieses aber ist senkrecht gestellt und dreht sich gleichm\u00e4\u00dfig mit dem Schaufelrad in derselben Richtung: in dieses eingreifend ist ein zweites kleineres Zahnrad (b) angebracht, welches in einer Welle (c) l\u00e4uft, die am oberen Ende einen eisernen Doppelschwalbenschwanz (e) hat, welcher in den M\u00fchlstein eingekeilt ist. So zwingen die Z\u00e4hne jenes an die Welle (des Schaufelrades) angef\u00fcgten Zahnrades dadurch, dass sie, in die Z\u00e4hne des waagrechten Zahnrades eingreifend, dieses treiben, die M\u00fchlsteine (d) zur Umdrehung; die \u00fcber dieser Maschine h\u00e4ngende Gosse (f) gibt den M\u00fchlsteinen immer Getreide zu, und durch dieselbe Umdrehung wird das Mehl gemahlen.\u201c<\/em>
Welch exakte, \u00fcber 2000 Jahre alte Funktionsbeschreibung!<\/p>\n\n\n\n

\"Bereits
Bild 3: Bereits im 1. Jahrhundert vor Christus gab es Wasserm\u00fchlen mit Zahnradgetrieben.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Bis heute sind Sch\u00f6pfr\u00e4der der von Vitruv beschriebenen Art noch im Einsatz.  Bild 4<\/mark> zeigt zwei davon bei der bayrischen Gemeinde M\u00f6hrendorf an der Regnitz.  Ein Wasserrad versorgte ein ausgedehntes Bew\u00e4sserungsnetz. Es sch\u00f6pfte pro Tag etwa 1400 m3<\/sup> Wasser und w\u00e4sserte damit bis zu 8 ha Wiesen. Dadurch wurde es m\u00f6glich, statt nur einer Mahd (Ernte) im Jahr drei Mahden von Heu und Grummet einzubringen.<\/p>\n\n\n\n

\"M\u00f6hrendorfer
Bild 4: Noch heute sind Sch\u00f6pfr\u00e4der nach Jahrtausende alten Konstruktionen in Betrieb wie hier die M\u00f6hrendorfer Sch\u00f6pfr\u00e4der an der Regnitz.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Eine der \u00e4ltesten F\u00f6rderanlagen zum Heben von Wasser ist die Archimedische Schraube, auch als Schrauben- oder Schneckenpumpe bezeichnet (Bild 5)<\/mark>. Sie ist nach ihrem Erfinder Archimedes von Syrakus (287-212 v. Chr.) benannt und dient bis heute zur Bew\u00e4sserung von landwirtschaftlichen Nutzfl\u00e4chen. Ihr entscheidendes Bauteil ist ein drehbares schraubenf\u00f6rmiges Element (Schnecke), das in einem Zylinder oder Trog um seine Mittelachse eingepasst ist. Um Wasser von einem niedrigen auf ein h\u00f6heres Niveau zu heben, wird die Schnecke in das zu hebende Wasser eingetaucht und gedreht. Zylinder bzw. Trog und Schnecke bilden Kammern, deren Wasserf\u00fcllungen sich nach oben \u201eschrauben\u201c. Am Ende der Schnecke l\u00f6st sich unter ihrem Auslaufen die dort befindliche Schneckenkammer auf und am Anfang der Schnecke bildet sich eine neue Kammer.<\/p>\n\n\n\n

Das Prinzip der Archimedischen Schraube kommt heute auch in modernen Schneckenf\u00f6rderern f\u00fcr Weizen und Sch\u00fcttg\u00fcter zum Einsatz. Mit der Bauform \u201eSchnecke in Zylinder\u201c ist bei entsprechend hohen Drehzahlen der Schnecke sogar die senkrechte F\u00f6rderung des Sch\u00fcttguts m\u00f6glich.<\/p>\n\n\n\n

\"Archimedische
Bild 5: Schon vor 2300 Jahren ersann Archimedes eine Vorrichtung zum Heben von Wasser, die Archimedische Schraube.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
<\/div>\n\n\n\n

Unterschl\u00e4chtige Wasserr\u00e4der<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Die ersten Wasserr\u00e4der hatten brettartige Schaufeln, die quer zur Flie\u00dfrichtung ins Wasser eintauchen. Vom Wasserstrom angesto\u00dfen, bewegen sie sich in Str\u00f6mungsrichtung, bis sie aus dem Wasser auftauchen und daf\u00fcr die n\u00e4chste Schaufel eintaucht. Weil die kinetische Energie des Wassers an der Unterseite des Wasserrads angreift und an den Schaufeln eine Impuls\u00fcbertragung stattfindet, geh\u00f6rt solch ein Wasserrad zur Klasse der unterschl\u00e4chtigen Wasserr\u00e4der und wird als Sto\u00df-Wasserrad bezeichnet (Bild 6)<\/mark>.<\/p>\n\n\n\n

\"Sto\u00df-Wasserrad\"
Bild 6: Beim Sto\u00df-Wasserrad str\u00f6mt das Wasser gegen Brettschaufeln und \u00fcbertr\u00e4gt dabei Energie in die Rotationsbewegung. <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Ein sch\u00f6nes Beispiel f\u00fcr ein solches Sto\u00dfrad findet man am rechten Ufer des Rheinfalls beim schweizerischen Rheinfelden (Bild 7)<\/mark>. Es ist augenscheinlich, dass dieser Wasserradtyp f\u00fcr einen oberschl\u00e4chtigen Antrieb ungeeignet ist. Das dabei auf die Oberseite des Rads flie\u00dfende Wasser m\u00fcsste anstatt auf reine Bretter auf seitlich geschlossene Zellen auftreffen, in denen sich das zugef\u00fchrte Wasser sammeln kann, um \u00fcber sein Gewicht das Rad in Drehung zu versetzen.<\/p>\n\n\n\n

\"Sto\u00dfwasserrad
Bild 7: Nach Jahrhunderten noch in Betrieb: Sto\u00dfwasserrad bei Rheinfelden.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Der Widerstand, den reine Bretter als Schaufeln dem zulaufenden Wasser an der Unterseite des Rads entgegensetzen, l\u00e4sst sich durch deren Kr\u00fcmmung erh\u00f6hen (Bild 8)<\/mark>. Das Ziel ist, dem str\u00f6menden Wasser m\u00f6glichst viel seiner kinetischen Energie zu entnehmen. Das gelingt, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Wasserrads ein Drittel der Str\u00f6mungsgeschwindigkeit ist. Dies vorausgesetzt und ein m\u00f6glichst gro\u00dfer cw-Wert (Str\u00f6mungswiderstandskoeffizient) der Schaufeln von 1,3 angenommen, lassen sich dennoch nur maximal 19 Prozent der Energie des unter dem Rad durchstr\u00f6menden Wassers in Rotationsenergie wandeln.<\/p>\n\n\n\n

\"Gekr\u00fcmmte
Bild 8: Gekr\u00fcmmte Schaufeln setzen dem Wasserfluss einen h\u00f6heren Widerstand als reine Bretter entgegen und verbessern damit den Wirkungsgrad des Wasserrads.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
<\/div>\n\n\n\n

Mittelschl\u00e4chtige Wasserr\u00e4der<\/strong> <\/h2>\n\n\n\n

Mittelschl\u00e4chtige Wasserr\u00e4der k\u00f6nnen als Schaufelrad oder als Zellenrad gebaut werden. Bei ihnen trifft das Wasser auf Nabenh\u00f6he oder etwas dar\u00fcber auf die Schaufeln oder Zellen (Bild 9)<\/mark>. Dabei nutzen mittelschl\u00e4chtige Wasserr\u00e4der sowohl die Str\u00f6mungskraft als auch die Gewichtskraft des Wassers (also Sto\u00df und Druck), was ihren Wirkungsgrad steigert. Damit sind sie \u00e4hnlich wie oberschl\u00e4chtige R\u00e4der gebaut, drehen sich aber in die entgegengesetzte Richtung, weshalb sie auch als r\u00fcckschl\u00e4chtig bezeichnet werden.<\/p>\n\n\n\n

Der \u00dcbergang vom unterschl\u00e4chtigen Wasserrad zum mittelschl\u00e4chtigen ist flie\u00dfend. Der Schweizer Ingenieur Walter Zuppinger (1814-1889) erzielte 1849 mit evolventenf\u00f6rmig gekr\u00fcmmten Schaufeln, die nicht nur den dynamischen, sondern auch den hydrostatischen Druck des Wassers ausnutzen, eine h\u00f6here Ausbeute der Energie des flie\u00dfenden Wassers. Bei entsprechend hohem Wassereinlauf kann das Zuppingerrad auch zu den mittelschl\u00e4chtigen Wasserr\u00e4dern gez\u00e4hlt werden. Gut dimensionierte mittelschl\u00e4chtige Wasserr\u00e4der erreichen Wirkungsgrade um 85 Prozent und kommen in dieser Hinsicht herk\u00f6mmlichen Turbinen nahe.<\/p>\n\n\n\n

\"Zuppinger-Wasserrad\"
Bild 9: Das Zuppinger-Wasserrad an der brandenburgischen Elsterm\u00fchle vereinigt unter- und mittelschl\u00e4chtige Eigenschaften.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
<\/div>\n\n\n\n

Oberschl\u00e4chtige Wasserr\u00e4der<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Die Schaufeln sind als seitlich geschlossene Kammern gestaltet, in denen m\u00f6glichst viel Wasser m\u00f6glichst lange (d. h. bis zu gro\u00dfen Drehwinkeln des Wasserrads) verbleibt und dabei ein durch die Schwerkraft bedingtes Drehmoment auf die Radwelle aus\u00fcbt. So lassen sich bis zu 80 Prozent der potentiellen Energie des Schaufelwassers in Rotationsenergie der Radwelle \u00fcberf\u00fchren. Die kinetische Energie des in die erste Schaufelkammer einstr\u00f6menden Wassers kann vernachl\u00e4ssigt werden. Das Kosten-Nutzen-Verh\u00e4ltnis moderner oberschl\u00e4chtiger Wasserr\u00e4der macht ihren Einsatz in vielen Szenarien attraktiv (siehe https:\/\/wasserrad-drews.de<\/a>).<\/p>\n\n\n\n

\"Oberschl\u00e4chtiges
Bild 10: Ein oberschl\u00e4chtiges Wasserrad wird durch die Gewichtskraft des in seinen Schaufelkammern gehaltenen Wassers in Drehbewegung versetzt. <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die elektrische Abgabeleistung Pel<\/sub> eines Wasserkraftwerks, das auf einem oberschl\u00e4chtigen Wasserrad beruht, l\u00e4sst sich \u00fcberschl\u00e4gig so ermitteln (Gleichung 1)<\/mark>:<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Die mit der Faustformel in Gleichung 1<\/mark> abgesch\u00e4tzte elektrische Leistung Pel<\/sub> ergibt sich in Kilowatt. Der Faktor 7,5 fasst Erdbeschleunigung und die Verluste in Wasserbauten, Turbine, \u00dcbersetzung und Generator zusammen. Es ergibt sich somit n\u00e4herungsweise  Pel<\/sub> = 3,75 kW.<\/p>\n\n\n\n

Eine genauere Berechnung w\u00e4re die in folgender Gleichung 2<\/mark>.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Gleichung 2<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die in Gleichung 2<\/mark> berechnete mechanische Leistung von Pmech<\/sub> = 3,924 kW f\u00fchrt bei Verwendung eines Generators mit einem Wirkungsgrad von 95 % zu einer elektrischen Leistung Pel<\/sub> = 3,73 kW. Die N\u00e4herung in Gleichung 1<\/mark> scheint also recht brauchbar zu sein.<\/p>\n\n\n\n

Eine typische Anwendung des oberschl\u00e4chtigen Wasserrads im Bergbau des Mittelalters zeigt Bild 11<\/mark>. Darin wird ein Pochwerk dargestellt, in dem die Erzbrocken zerkleinert werden, um so das Schmelzen zu erleichtern. Das Bild entstammt dem zw\u00f6lfb\u00e4ndigen Standardwerk der Metalle und des Bergbaus \u201eDe re metallica libri XII\u201c des Renaissance-Gelehrten Georg Bauer (1494-1555) mit dem latinisierten Namen Georgius Agricola, in dem auch viele weitere auf Wasserkraft beruhende Maschinen wie Winden, Pumpen, Blaseb\u00e4lge, etc. beschrieben und abgebildet sind.<\/p>\n\n\n\n

Die Komplexit\u00e4t der physikalischen Berechnungen zur Dimensionierung und Regelung einer Kleinwasserkraftanlage mit ober- und unterschl\u00e4chtigem Wasserrad wird in zwei Vorlesungsvideos von Prof. Andreas Malcherek deutlich (https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=79hTQ87bXm0<\/a> und https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=tiKq2wzYQ5g<\/a>).<\/p>\n\n\n\n

\"Mittelalterlicher
Bild 11: Im mittelalterlichen Bergbau zerkleinerten wassergetriebene Pochwerke die Erzbrocken, um deren Schmelzen zu erleichtern.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
<\/div>\n\n\n\n

Turbinen<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Die Weiterentwicklung des Wasserrads in Hinblick auf geringere Abmessungen, Leistungssteigerung, Anpassung an den Einsatzzweck, Zuverl\u00e4ssigkeit und Kosteneffizienz f\u00fchrten im 16. und 17. Jahrhundert zu einer regen Entwicklungsarbeit von T\u00fcftlern und Ingenieuren, die zu den Turbinen heutiger Bauart f\u00fchrte.<\/p>\n\n\n\n

1750 konstruierte der G\u00f6ttinger Physikprofessor Johannes Andreas von Segner (1704\u20111777) ein auf dem R\u00fccksto\u00dfprinzip beruhendes Wasserrad. 1826 stellte der franz\u00f6sische Erfinder Beno\u00eet Fourneyron (1802-1867) ein \u201eWasserrad\u201c vor, das an mehreren Stellen angetrieben wurde, die Fourneyron-Turbine. Sie kann als erste \u00dcberdruckturbine bezeichnet werden und wurde von dem anglo-amerikanischen Ingenieur James B. Francis (1815-1892) zu seiner 1849 vorgestellten Francis-Wasserturbine weiterentwickelt. Der US-amerikanische Erfinder Lester Allan Pelton (1829-1908) lie\u00df sich 1889 seine von ihm entwickelte, auf dem Reaktionsprinzip beruhende Freistrahlturbine patentieren. Die Turbine des \u00f6sterreichischen Ingenieurs Viktor Kaplan (1876-1934) aus dem Jahr 1913 ist eine Weiterentwicklung der Francis-Turbine und verwendet einen Propeller mit verstellbaren Fl\u00fcgeln. Die wesentlichen Eigenschaften der drei letztgenannten Turbinen sind in Bild 12<\/mark> zusammengefasst.<\/p>\n\n\n\n

\"Die
Bild 12: Die drei heute am h\u00e4ufigsten verwendeten Wasserturbinentype im \u00dcberblick.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Pelton-Turbine<\/strong> ist geeignet, relativ wenig Wasser aus gro\u00dfen Fallh\u00f6hen bis zu 2000 m zu verarbeiten. Das Wasser steht am unteren Ende des Fallrohrs unter hohem statischen Druck (bis 200 bar). Wenn es dann durch eine verstellbare D\u00fcse gepresst wird (Bild 13)<\/mark>, ist die Geschwindigkeit des austretenden Wasserstrahls sehr hoch (bis 500 km\/h).  Als freier Strahl (Freistrahl) wird er tangential auf die Schaufeln des Turbinenlaufrads geleitet, wo er m\u00f6glichst viel seiner kinetischen Energie nach dem Prinzip \u201eActio gleich Reactio\u201c abgibt. Dementsprechend hoch ist die Drehzahl des Laufrads (bis 3000 U\/min).<\/p>\n\n\n\n

\"Pelton-Turbine\"
Bild 13: Bei der Pelton-Turbine wird unter hohem hydrostatischen Druck stehendes Wasser durch eine verstellbare D\u00fcse gepresst und mit hoher Geschwindigkeit in die Schaufeln des Turbinenrades eingespritzt.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Geschwindigkeit des Wassers beim Verlassen der D\u00fcse l\u00e4sst sich durch Gleichsetzen der potentiellen Energie eines Wassermassenelements m auf H\u00f6he des Fallrohreinlasses mit der kinetischen Energie, die diesem Massenelement beim Verlassen der D\u00fcse innewohnt, ermitteln. <\/mark><\/strong>Nach Durchfallen der Fallh\u00f6he h ist die kinetische Energie von m am D\u00fcsenausgang gleich der potentiellen Energie vor dem Einlass in das Fallrohr. Daraus l\u00e4sst sich wegen des Energieerhaltungsssatzes die Austrittsgeschwindigkeit gem\u00e4\u00df Gleichung 3<\/mark> berechnen.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Gleichung 3<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Der Begriff Gleichdruckturbine r\u00fchrt aus der Tatsache her, dass das Strahlwasser zwischen dem Austritt aus der Turbine und dem Auftreffen auf die Schaufel(n) und danach den gleichen (Umgebungs-)Druck hat. Weil nur eine oder einige wenige der \u00fcber den Umfang des Turbinenrads verteilten Schaufeln mit Strahlwasser beaufschlagt werden, spricht man auch von einer Teilbeaufschlagung. Im Gegensatz dazu wird die Francis- bzw. die Kaplan-Turbine voll beaufschlagt.<\/p>\n\n\n\n

Die Form einer Pelton-Turbinen-Schaufel, auch Tasse genannt, ist markant (Bild 14)<\/mark>.  Sie besteht aus zwei aneinander gef\u00fcgten halbkugelartigen Halbschalen. Der Trennsteg (Schneide) zwischen den Halbschalen teilt den Wasserstrahl und leitet je eine Strahlh\u00e4lfte in eine der konkav gekr\u00fcmmten Halbschaufeln. Hier wird er m\u00f6glichst um 180\u00b0 umgelenkt zur\u00fcck zur D\u00fcse geschleudert. Mit dieser Formgebung und einer Schaufelgeschwindigkeit, die halb so gro\u00df ist wie die des Wasserstrahls (damit das Wasser keine kinetische Energie mehr hat und einfach nur noch herunterf\u00e4llt) erreicht die Pelton-Turbine ihr Leistungsmaximum.<\/p>\n\n\n\n

Zur Steigerung der Turbinenleistung k\u00f6nnen auch mehrere D\u00fcsen auf ein Laufrad wirken. Bei mehr als zwei D\u00fcsen wird die Turbinenachse meistens vertikal angeordnet, damit das herunterfallende Wasser die Druckwasserstrahlen nicht st\u00f6rt.<\/p>\n\n\n\n

\"Pelton-Schaufel\"
Bild 14: Die Schaufeln sind als zwei konkave Tassen mit Trennsteg ausgebildet, in denen das eingespritzte Wasser zur Richtungsumkehr gezwungen wird und dabei seine Bewegungsenergie \u00fcbertr\u00e4gt.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Wandlung mechanischer Rotationsenergie in elektrische Energie<\/strong> machte deren Weiterleitung und Nutzung an Orten m\u00f6glich, die weit entfernt waren von der Stelle der Erzeugung. Zuvor fand die Nutzung der mechanischen Energie von Wasser- oder Windr\u00e4dern stets dort statt, wo sie gewonnen wurde. Das Hammerwerk lag neben dem Wasserrad am Fluss, die Getreidem\u00fchle neben dem Windrad auf dem H\u00fcgel.<\/p>\n\n\n\n

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\n

Das \u00e4nderte sich schlagartig mit der Realisierung der dynamoelektrischen Maschine<\/strong> durch Werner Siemens (1816-1892, geadelt 1888) (Bild 15)<\/mark>. Im Jahre 1866 entwickelte er damit den ersten elektrischen Generator auf der Grundlage des von ihm wissenschaftlich begr\u00fcndeten dynamoelektrischen Prinzips. Im Dezember 1866 schrieb er an seinen Bruder William: „Ich habe eine neue Idee gehabt, die aller Wahrscheinlichkeit nach re\u00fcssieren und bedeutende Resultate geben wird. […] Die Effekte m\u00fcssen bei richtiger Konstruktion kolossal werden. Die Sache ist sehr ausbildungsf\u00e4hig und kann eine neue \u00c4ra des Elektromagnetismus anbahnen. In wenigen Tagen wird ein Apparat fertig sein. Magnet-Elektrizit\u00e4t wird hierdurch billiger werden, und kann nun f\u00fcr Licht, Galvanometallurgie usw., selbst f\u00fcr kleine elektromagnetische Maschinen, die ihre Kraft von gro\u00dfen erhalten, m\u00f6glich und n\u00fctzlich werden.“<\/em> 1867 ver\u00f6ffentlichte Werner Siemens seine Erkenntnisse durch einen Bericht an die Berliner Akademie der Wissenschaften. Geradezu vision\u00e4r schloss er den Bericht mit den Worten: „Der Technik sind gegenw\u00e4rtig die Mittel gegeben, electrische Str\u00f6me von unbegrenzter St\u00e4rke auf billige und bequeme Weise \u00fcberall da zu erzeugen, wo Arbeitskraft disponibel ist. „<\/em><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

\n
\"Werner
Bild 15: Mit der Erfindung der Dynamomaschine hatte Werner Siemens 1885 das Zeitalter der Elektrizit\u00e4t eingel\u00e4utet.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Zu dieser Zeit versuchte sich bereits eine Vielzahl von T\u00fcftlern wie Ritchie, Clarke und St\u00f6hrer an der Entwicklung stromerzeugender Maschinen, deren Stromausbeute jedoch gering war. Eine umfassende Darstellung der chronologischen Abfolge der mannigfaltigen  Entwicklungsbeitr\u00e4ge ist auf der Homepage des elektrotechnischen Instituts der Universit\u00e4t Karlsruhe (KIT: Karlsruhe Institute of Technology) unter https:\/\/www.eti.kit.edu\/1390.php zu finden.<\/p>\n\n\n\n

Wie aus dem Stand des physikalischen Wissens der Zeit bereits bekannt war, wird in einem durch ein Magnetfeld bewegten elektrischen Leiter eine Spannung induziert. Bei einem schwachen Magnetfeld, wie es Dauermagneten damals nur erzeugen konnten, kamen entsprechend schwache Induktionswirkungen zustande. Daran krankten auch die  technologischen Ans\u00e4tze f\u00fcr elektromechanische Stromerzeuger mit Dauermagneten. Mit starken Elektromagneten lie\u00df sich die bilanzielle Effizienz der Stromerzeuger zwar steigern, aber es bedurfte eben externer Batterien zur Erregung des weichmagnetischen Magneteisenkerns.<\/p>\n\n\n\n

Werner Siemens hatte eine geniale Idee, welche den Stromertrag seiner Maschine in neue H\u00f6hen katapultierte: das Prinzip der Dynamomaschine! Er erkannte, dass der Restmagnetismus (= remanenter Magnetismus), der im Weicheisen eines felderzeugenden Elektromagneten im Generator verbleibt, ausreicht, um eine zun\u00e4chst schwache Spannung im rotierenden Anker beim Anlauf des Generators zu induzieren. Den dadurch bewirkten schwachen Strom nutzte Siemens, um den Restmagnetismus der Weicheisenpolschuhe, in denen sich der Anker dreht, zu verst\u00e4rken. Diese in Bild 16<\/mark> dargestellte Selbsterregung f\u00fchrt mit zunehmender Drehzahl des Ankers zu einem maximal m\u00f6glichen Magnetismus bis zur S\u00e4ttigungsgrenze des magnetisierten Weicheisens. So konnte sich eine maximale Induktion entfalten. Das war in Verbindung mit dem Energieangebot aus den stetig mechanische Rotationsenergie liefernden Wasserturbinen der Startschuss zum Eintritt in das Zeitalter der Starkstromtechnik mit elektrischem Licht, elektrischen Antrieben, elektrischer Heizung, elektrischen industriellen Prozessen usw. Jetzt war es m\u00f6glich, Energie vom g\u00fcnstigsten Ort der Erzeugung flexibel an den Ort ihres Bedarfs zu liefern!<\/p>\n\n\n\n

\"Genial
Bild 16: Genial einfach \u2013 Einfach genial: Das Prinzip der Selbsterregung.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

In den Kindertagen der Produktion elektrischer Energie wurden Siedlungen und Handwerksbetriebe, die im Umkreis der Erzeugungsstellen lagen, zu Beleuchtungs- und Produktionszwecken mit Gleichstrom versorgt. Doch der schnell ansteigende Bedarf und die Sicherheit der Versorgung machten die Kopplung der Einzelnetze zu gr\u00f6\u00dferen Verbundnetzen erforderlich. Dem dienten auch Wasserspeicher in Gestalt von nat\u00fcrlichen und k\u00fcnstlich aufgestauten Bergseen, die zu Zeiten von Bedarfsspitzen angezapft werden konnten. Mit zunehmender Gr\u00f6\u00dfe der Versorgungsnetze ging man schrittweise auf Wechselstrom \u00fcber, weil nur damit Transformatoren betrieben werden k\u00f6nnen, welche die Spannungsangleichung bei Netzkopplungen erm\u00f6glichten.<\/p>\n\n\n\n

Bald kam man auf die Idee, h\u00f6her gelegene Wasserspeicherreservoire anzulegen, die mit einem gerade herrschenden Strom\u00fcberangebot \u00fcber elektrisch angetriebene Pumpen gef\u00fcllt wurden, um sie bei Strombedarfsspitzen \u00fcber Turbinen-Generator-S\u00e4tze nahezu verz\u00f6gerungsfrei zu entleeren. Mit derartigen Pumpspeicherwerken konnte man das Grundproblem der elektrischen Stromversorgung beherrschen: Der erzeugte Strom muss jederzeit durch eine gleich gro\u00dfe Abnahme gedeckt sein, damit die Netzfrequenz stabil bleibt.<\/p>\n\n\n\n

Allerdings gab es noch bis in die Nachkriegszeit in den 1950-Jahren lokale oder regionale Gleich- oder Wechselspannungsnetze mit unterschiedlichen Spannungen (Inselnetze). Die meisten Radiosammler haben trafolose Allstromger\u00e4te in ihrem Fundus, die f\u00fcr den Betrieb an Gleich- und Wechselstromnetzen einstellbar waren und noch in den Gr\u00fcnderjahren der Bundesrepublik gebaut wurden. So steht in der Bedienungsanleitung (Bild 17)<\/mark> des in den Jahren 1954\/55 gebauten Philips-Allstrom-Supers ‚PHILETTA 234 L‘ unter \u201eAnschluss an das Lichtnetz\u201c: \u201eIhre \u201ePHILETTA 234 L\u201c ist zum wahlweisen Anschluss an Gleich- oder Wechselstrom geeignet und ist im Werk auf die am h\u00e4ufigsten anzutreffende Spannung des Lichtnetzes von 220 Volt eingestellt. Pr\u00fcfen Sie bitte, bevor Sie das Ger\u00e4t anschlie\u00dfen, welche Netzspannung Sie in Ihrer Wohnung haben. Das Typenschild Ihres Stromz\u00e4hlers oder auch jede Ihrer Gl\u00fchlampen gibt dar\u00fcber Auskunft. Eine Umschaltung auf 127 Volt ist mit Hilfe des Spannungsw\u00e4hlers m\u00f6glich, der nach Abnahme der R\u00fcckwand zug\u00e4nglich ist.\u201c<\/em><\/p>\n\n\n\n

Ein anderes Beispiel: Erst am 10.10.1992 (nach der Wiedervereinigung!) erfolgte f\u00fcr Ernstthal, einen Ortsteil der Glasbl\u00e4serstadt Lauscha in Th\u00fcringen, noch eine Spannungsumstellung von 127\/220 Volt auf 220\/380 V f\u00fcr 180 Stromkunden.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 17: Die Vollendung eines allumfassenden einheitlichen Verbundnetzes ist noch gar nicht so lange her. In den 1950er-Jahren gab es noch vielfach Radios und Fernsehger\u00e4te, die mit Gleich- oder Wechselspannung unterschiedlicher H\u00f6he betrieben werden konnten.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wird mehr Strom in das Netz eingespeist als verbraucht, steigt seine Frequenz (> 50 Hz) und die Erzeugung muss gedrosselt werden. Wird mehr Strom verbraucht als eingespeist, nimmt die Netzfrequenz ab (< 50 Hz) und die Stromproduktion muss gesteigert werden.<\/p>\n\n\n\n

Alternativ l\u00e4sst sich auch der Verbrauch in gewissen Grenzen an die Produktion anpassen, um das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch herzustellen. Dazu m\u00fcssen aber bestimmte Verbraucher (z. B. das Ladeger\u00e4te von Elektrofahrzeugen, Waschmaschinen, Speicherheizungen \u2026) vom Netzbetreiber mittels Fernwirktechnik tempor\u00e4r ab- und zugeschaltet werden. Im Zeitalter eines nahezu \u00fcberall verf\u00fcgbaren Internets ist das technisch problemlos m\u00f6glich.<\/p>\n\n\n\n

Grunds\u00e4tzlich gilt als Voraussetzung f\u00fcr eine stabile Versorgung: Zur Abdeckung der Grundlast ben\u00f6tigt man stetig erzeugte Energie und zur Abdeckung von Lastspitzen und zu Regelungszwecken schnell verf\u00fcgbare Energie.<\/p>\n\n\n\n

<\/div>\n\n\n\n

Speicherkraftwerke<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Das im Speichersee eines Speicherkraftwerks gesammelte Wasser hat eine potentielle Energie (Lageenergie) die dem Produkt aus Wassermasse m in kg, Erdbeschleunigung g (g = 9,81 m\/s\u00b2) und H\u00f6he \u00fcber dem Meeresspiegel in m entspricht. Gleichung 4<\/mark> zeigt in grober Absch\u00e4tzung die wesentlichen physikalischen Zusammenh\u00e4nge am Beispiel des \u00f6sterreichichen Speicherkraftwerks Kaprun.<\/p>\n\n\n\n

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Gleichung 4<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Gegebenheiten zeigt eine Infotafel der Kraftwerksgruppe Glockner-Kaprun (Bild 18)<\/mark>.<\/p>\n\n\n\n

\"Wasserkraftwerk
Bild 18: Das Kraftwerk Kaprun in den \u00f6sterreichischen Tauern ist eines der gr\u00f6\u00dften Wasserkraftwerke Europas. Es wird mit Speicherwasser aus nat\u00fcrlichem Regen- und Schmelzwasserzufluss und bei Strom\u00fcberfluss gepumptem Wasser betrieben. <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Indem das Wasser aus dem Speichersee \u00fcber Druckstollen oder Fallrohre in die tiefer gelegenen Turbinen abgelassen wird, findet die Wandlung potentieller in kinetische Energie statt. Unter Ber\u00fccksichtigung aller Verluste und der Wirkungsgrade von Turbine und Stromgenerator lassen sich letztendlich etwa 70 Prozent der potentiellen Energie in elektrische Energie \u00fcberf\u00fchren. Im Jahr 2022 speisten in Deutschland 31 Pumspeicherwerke zusammen sechs Terawattstunden elektrische Energie ins Stromnetz.<\/p>\n\n\n\n

<\/div>\n\n\n\n

Installierte Leistung<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Nach Informationen des Bundesverbands Deutscher Wasserkraftwerke (BDW) e.V. sind derzeit etwa 7300 Wasserkraftanlagen aller Gr\u00f6\u00dfenordnungen mit einer installierten Leistung von rund 5600 MW in Betrieb. Dabei leisten 6900 Anlagen (94 Prozent) unter 1 MW und gelten deshalb als Kleinwasserkraftanlagen. Ihr Beitrag zur gesamten Stromproduktion durch Wasserkraftanlagen betr\u00e4gt nur etwa 14 Prozent, was etwa 0,5 Prozent der bundesdeutschen Stromproduktion entspricht. Wegen der schwankenden Niederschlagsmengen ist die j\u00e4hrliche Stromproduktion aus Wasserkraft entsprechend unbest\u00e4ndig und liegt zwischen 20000 und 29000 TWh. Damit lassen sich zwischen 5,7 und 8,3 Millionen Haushalte mit einem durchschnittlichen Jahresverbrauch von 3500 kWh  versorgen.<\/p>\n\n\n\n

Wegen des hohen Alters vieler Wasserkraftanlagen von bis zu 100 Jahren lie\u00dfe sich alleine durch Modernisierungsma\u00dfnahmen deren Leistung um 30 Prozent steigern. Ob Erneuerung, Neubau oder Reaktivierung von Wasserkraftanlagen wirtschaftlich sinnvoll ist, h\u00e4ngt stark von den Rahmenbedingungen, insbesondere der EEG-Verg\u00fctung (EEG:<\/a> das Erneuerbare-Energien-Gesetz) ab. Nicht zuletzt muss die gesellschaftliche Akzeptanz im Hinblick auf \u00d6kologie und Gew\u00e4sserschutz gegeben sein.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Vom Sch\u00f6pfrad bis zur modernen Turbine: Dieser Beitrag erkl\u00e4rt, wie Wasserkraft aus dem nat\u00fcrlichen Kreislauf entsteht, welche Turbinen es gibt, wie man Leistung absch\u00e4tzt und welchen Beitrag Wasserkraft \u2013 inklusive Pumpspeichern \u2013 heute in Deutschland leistet.<\/p>\n","protected":false},"author":6,"featured_media":5022,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[171],"tags":[800,799,796,794,797,793,798,801,792,795],"post-author":[57],"class_list":["post-5020","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-technik-wissen","tag-eeg-wasserkraft","tag-elektrische-leistung-wasserkraft","tag-francis-turbine","tag-kaplan-turbine","tag-kleinwasserkraft","tag-pelton-turbine","tag-pumpspeicherkraftwerk","tag-wasserkraft-wirkungsgrad","tag-wasserkreislauf","tag-wasserrad","post-author-karsten-jungk"],"acf":[],"info":{"thumbnail":{"url":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/TitelbildWasserkraft.jpeg","alt":""},"teaserImage":{"ID":11143,"id":11143,"title":"liste-beitrag_energie3_geo","filename":"Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","filesize":182258,"url":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/regenerative-energien-wasserkraft-grundlagen-turbinen\/liste-beitrag_energie3_geo\/","alt":"","author":"5","description":"","caption":"","name":"liste-beitrag_energie3_geo","status":"inherit","uploaded_to":5020,"date":"2026-02-24 15:17:23","modified":"2026-02-24 15:17:23","menu_order":0,"mime_type":"image\/jpeg","type":"image","subtype":"jpeg","icon":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-includes\/images\/media\/default.png","width":433,"height":274,"sizes":{"thumbnail":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo-250x250.jpg","thumbnail-width":250,"thumbnail-height":250,"medium":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo-300x190.jpg","medium-width":300,"medium-height":190,"medium_large":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","medium_large-width":433,"medium_large-height":274,"large":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","large-width":433,"large-height":274,"1536x1536":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","1536x1536-width":433,"1536x1536-height":274,"2048x2048":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","2048x2048-width":433,"2048x2048-height":274,"gform-image-choice-sm":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","gform-image-choice-sm-width":300,"gform-image-choice-sm-height":190,"gform-image-choice-md":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","gform-image-choice-md-width":400,"gform-image-choice-md-height":253,"gform-image-choice-lg":"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/Liste-Beitrag_energie3_geo.jpg","gform-image-choice-lg-width":433,"gform-image-choice-lg-height":274}},"categories":[{"id":171,"name":"Technik-Wissen","slug":"technik-wissen"}],"authors":[{"id":57,"name":"Karsten Jungk","slug":"karsten-jungk"}],"document":false,"epaper":"","date":"12. 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