06 / Werkstatt Wasserkraft

Posten 6: Wir bauen ein WasserradLehrerinformation

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Arbeitsauftrag

Die Sch’ konstruieren ein Wasserrad und erfahren, wie bei gängigen Wasserkraftwerkendie Turbinen eingesetzt werden.

ZielDie Sch‘ erstellen ein Wasserrad und versuchen dabei, die Eigenheiten des ElementesWasser nachzuvollziehen. Sie ziehen Parallelen zu den gängigen Turbinenarten, die bei derStromerzeugung mit Wasserkraft eingesetzt werden.

Material

ArbeitsblattKonstruktionsanleitungMaterial gemäss Konstruktionsanleitung

Sozialform

Gruppenarbeit

Zeit

ca. 60’

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InformationEin Wasserrad ermöglicht die Verrichtung von Arbeit, indem es die Energie des Wassers nutzt. So könnenArbeitsmaschinen wie beispielsweise Mahlwerke oder Generatoren angetrieben werden.

In industrialisierten Regionen dienen die meisten Wasserräder heute jedoch nicht mehr der Energiegewinnung.Dort, wo noch eine ausreichende, gleichmässige Wasserkraft vorliegt (Flüsse), wird die Energie durch Turbinenausgenutzt. Daher ist in vielen Regionen die wirtschaftliche Bedeutung der Wasserräder heute nur noch gering.Die meisten Wasserräder stehen heute in den zahlreichen Museen, einige treiben kleinere Generatoren an unddienen einer minimalen Stromerzeugung.

Die Mehrzahl an Wasserrädern dreht sich in den Ländern Afrikas und Asiens, wo sie auch heute noch ein absolutunerlässliches, wichtiges Hilfsmittel sind. Vor allem die Landwirtschaft ist ohne Wasserräder in diesen Gebietenundenkbar.

Die Erfindung des Wasserrads ist ein Meilenstein in der technischen Entwicklung der Menschheit, da durch dieNutzung der Wasserkraft gegenüber der Muskelkraft sehr viel mehr mechanische Energie nutzbar gemachtwerden konnte. Zu Anfang dienten Wasserräder der Bewässerung in der Landwirtschaft, zum Beispiel alsSchöpfrad zum Heben von Wasser. Solche Schöpfräder sind seit vielen Jahrhunderten in verschiedenen Kulturenverbreitet, etwa in Ägypten, Syrien, Indien und China. Man geht davon aus, dass die ersten Wasserschöpfräderum 1200 vor Christus in Mesopotamien betrieben wurden.

Aufgabe1. Das eigene Wasserrad – 1:1: Baue ein hoch-, mittel- oder unterschlächtiges Wasserrad und probiere es aus.

Achte dabei auf die im Text angegebenen Besonderheiten der jeweiligen Wasserräder! (Eine möglicheBastelanleitung liegt bei.)

2. Mühlen in deiner Umgebung: Wo befindet sich in deiner Umgebung eine alte oder gar eine neue Mühle?Wenn du eine findest, so betrachte das Wasserrad und die Wasserzufuhr. Um welches Wasserrad handeltes sich, und was wurde oder wird in dieser Mühle hergestellt?

3. Wo gibt es bei euch in der Region „Zeugen alter Technik“? Hat es ineurem Dorf Gebäude oder Maschinen, welche von alten Zeitenberichten können? Zeichnet auf einer Ortskarte alle vorhandenentechnischen Fundstücke ein, welche ihr entdeckt habt, und markiertanschliessend eine „Techniktour“, wie man am besten von Objekt zuObjekt wandern kann.

Zeitca. 60 Minuten

MaterialLesetextMaterial gemäss Bastelanleitung

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Lesetext

Das SchöpfradBei Wasserschöpfrädern sind Wasserkübel (auch "Kümpfe"genannt) direkt an dem Wasserrad mit seinen Schaufelbretternangebracht, das durch die Strömung angetrieben wird. Im Bereichdes höchsten Punktes des Rades entleert sich der Inhalt derWasserkübel in ein Auffangbecken, von wo aus es in einenBewässerungskanal fliesst. Die berühmten Wasserschöpfräder(Norias) in Hama in Syrien gelten als die grössten der Welt. Sieüberwinden mit entsprechend grossen Raddurchmessern Höhen-unterschiede von z. T. über 30 Metern. Im Mittelalter hielt dieseTechnologie auch in Mitteleuropa Einzug, nachdem Kreuzfahrerdiese Technik in Asien kennengelernt hatten.

MahlmühlenBereits in römischer Zeit wurden Wasserräder auch für denAntrieb von Mühlen genutzt. Der römische Baumeister Vitruvbeschreibt sowohl das Prinzip des Wasserschöpfrads als auchdas der Wassermühle sehr ausführlich. Bei der beginnendenIndustrialisierung diente das Wasserrad zum Antreiben vonMaschinen über die ersten Antriebswellen oderAntriebsriemen. Auch im Bergwerkswesen wurden sie zumMaterialtransport und zur Entwässerung der Grubeneingesetzt.Daher war eine ausreichende Wasserversorgung ein wichtigerPunkt in der Standortwahl für die ersten Fabriken. Ohnefliessendes Gewässer konnte keine Kraft für den Antrieb derverschiedenen Maschinen gewonnen werden.

Die Turbine

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts ermöglichten die aufkommenden Wasserturbinen, vielgrössere Wassermengen und höhere Gefälle auszunutzen. Durch die Einführung derElektrizität musste man die Energie nicht mehr vor Ort mechanisch übertragen, sondernsie konnte in elektrischen Strom umgewandelt werden. Es entstanden Wasserkraftwerke,welche aufgrund ihrer Grösse billiger produzieren konnten und die kleinen Kraftwerke mitWasserrad allmählich verdrängten. Der Versuch, die vergleichsweise kleinen Wasserräderdurch Turbinen zu ersetzen, schlug vielfach fehl, weil die beiden Prinzipien völligverschiedene Voraussetzungen haben.

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Pelton- oder FreistrahlturbineBei der Pelton- oder Freistrahlturbine wird ausschliesslich die Bewegungsenergie des Wassers genutzt, das auseiner oder mehreren Düsen auf die becherförmigen Schaufeln des Laufrads trifft. Da das Antriebswasser nach demAustritt aus der Düse auf Umgebungsdruck entspannt wird, spricht man auch von einer Gleichdruck-Turbine. Die

Pelton-Turbine wird in Wasserkraftwerken mit sehr hohenFallhöhen (bis 1800 m) bei vergleichsweise geringenWassermengen eingesetzt. Sie ist typisch fürSpeicherwasserkraftwerke im Hochgebirge.

Bei einer Fallhöhe von 1000 Metern schiesst das Wasser mit einerGeschwindigkeit von etwa 500 km/h aus der Düse. Diese Turbinewird hauptsächlich in Speicherkraftwerken verwendet underinnert vom Aussehen am ehesten an ein klassisches Wasserrad.

Sie wurde 1880 von dem amerikanischen Ingenieur Lester Pelton konstruiert.

Kaplan-TurbineSpeziell für geringen Wasserdruck entwickelte zu Beginn der zwanziger Jahre der österreichische Ingenieur ViktorKaplan die nach ihm benannte Kaplan-Turbine. Ihr Laufrad gleicht einem Schiffspropeller, durch dessen verstellbareSchaufeln die Wassermassen strömen und – umgekehrt wie beim Schiffsantrieb – den Propeller antreiben.

Grosse Kaplan-Turbinen werden vor allem vertikal eingebaut, sodassdas Wasser von oben nach unten durchströmt. Die äusserstschnellaufende Turbine wird hauptsächlich in Laufwasserkraftwerkenmit sehr niedrigen Fallhöhen eingebaut.

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Verschiedene Wasserräder

Wasserräder können nach Art des Wasserzulaufs eingeteilt werden. Je nach Gefälle der Differenz zwischen Zu- undAblauf (Oberwasser- und Unterwasserspiegel), werden verschiedene Wasserräder eingesetzt.

Oberschlächtiges WasserradBeim oberschlächtigen Wasserrad strömt das Wasser über eine Rinne, dassogenannte Gerinne, auf die Zellen des Rades. Das Rad wird durch dieGewichtskraft des aufgenommenen Wassers in Bewegung versetzt.Das Wasser wird bei einem kleinen Wehr einige Hundert Meter oberhalb desWasserrades abgezweigt und in einem künstlichen Kanal mit wenig Gefälle zumRad geleitet. Dieser Kanal wird oft als Mühlbach oder Mühlgraben bezeichnet.Das Wehr dient der Regulierung der zuströmenden Wassermenge und wird beiNichtgebrauch des Rades geschlossen. Der letzte Teil des Kanals vor dem Rad,das Gerinne, besteht meist aus Holzbrettern.

Mittelschlächtiges und rückschlächtiges WasserradMittelschlächtige Wasserräder werden etwa auf Nabenhöhe (die Mitte desWasserrades) angetrieben ("vom Wasser getroffen"). Sie können sowohl alsZellenrad als auch als Schaufelrad gebaut werden. MittelschlächtigeZellenräder werden auch rückschlächtig genannt und ähnlich wieoberschlächtige Räder gebaut, drehen aber in entgegengesetzter Richtung.

Unterschlächtiges WasserradBei unterschlächtigen Wasserrädern fliesst das Wasser unter dem Rad durcheinen sogenannten Kropf. Der Kropf ist eine Führung, welche dem Radangepasst ist. Sie verhindert, dass Wasser unterhalb und seitlich derSchaufeln durchfliesst, ohne das Rad anzutreiben.Die Kraftübertragung geschieht über Schaufeln; man spricht daher auch vonSchaufelrädern. In ihrer einfachsten Form bestehen die Schaufeln aus einemHolzbrett. Das Rad wird hauptsächlich durch die Bewegungsenergie des unterihm fliessenden Wassers angetrieben.

Tiefschlächtiges WasserradDas tiefschlächtige Wasserrad kommt ohne Gefälle aus. Anders als beim unterschlächtigen Wasserrad gibt es hierkeine spezielle Wasserzuführung. Das Rad wird allein durch den Strömungswiderstand der Schaufelbretterangetrieben.

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Bastelanleitung für ein Wasserrad

Materialein leerer Joghurtbecherein Korkenein Metallstab (z. B. fester Draht)wasserfester Holzleim

Werkzeugeine Sägeein Folienstifteine robuste Schereein Handbohrer

Anleitung

1. Säge 6 Schlitze in gleichmässigen Abständen in den Korken.

2. Durchbohre den Korken der Länge nach

3. Zeichne am Becherrand 6 Striche in gleichmässigen Abständen.

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4. Schneide den Becher in sechs Streifen. Den Boden schneidest du ab.

5. Bestreiche die Schlitze im Korken mit Holzleim und stecke die Becherteile hinein.

6. Stecke den Stab durch das Loch.

7. Jetzt brauchst du den Leim nur über Nacht trocknen zu lassen. Morgen kannst du dein Wasserradausprobieren.