Wasserkraft an der Riesenmühle
Früher drehte das Wasser hier ein großes Mühlrad, heute treibt es eine Turbine mit deutlich höherer Drehzahl an. Auf dieser Seite beschreiben wir, woher das Wasser kommt und was die Turbine damit macht.
Der Riesbach
Der Riesbach sammelt das Regenwasser von rund 23 Quadratkilometern im Deister-Süntel-Tal zwischen Deister, Süntel und Bückeberg. Er fließt an der Mühle vorbei nach Apelern und mündet dort in die Rodenberger Aue.
Der Mühlengraben
Etwa 500 Meter oberhalb der Mühle zweigt am Streichwehr ein Teil des Wassers in den Mühlengraben ab. Der Graben hat auf diesem Weg kaum Gefälle, der Bach daneben dagegen fünf Meter. An der Mühle steht das Wasser im Graben deshalb fünf Meter über dem Bach. Diese Fallhöhe und die Wassermenge im Graben bestimmen, wie viel Energie sich theoretisch gewinnen lässt.
Um das genauer zu wissen, haben wir im Mühlengraben eine Messeinrichtung eingebaut, die den Durchfluss über lange Zeit aufzeichnet, dazu Luftfeuchte, Luftdruck und Temperatur. Die Werte sollen als Grundlage dienen, um die Turbine zu verbessern, und vielleicht eines Tages für eine kleine Hochwasser-Vorwarnung für Apelern und Rodenberg. Die Messanlage ist zurzeit außer Betrieb und geht bald wieder in Betrieb. Bis dahin zeigt die Seite Messwerte archivierte Daten aus dem Mühlengraben und eine Karte mit dem Einzugsgebiet des Riesbachs und aktuellen Pegelständen aus ganz Deutschland.
Die Francis-Turbine von 1947
Der Ingenieur James Bicheno Francis entwickelte 1849 eine vielseitig einsetzbare Turbine. Sie erreicht Wirkungsgrade von über 90 Prozent und wird bis heute an Fallhöhen von wenigen Metern bis über 600 Metern eingesetzt, mit Leistungen von wenigen Kilowatt bis zu 800 Megawatt.
Fast hundert Jahre nach dieser Erfindung entschied sich der damalige Pächter der Riesenmühle, die Mühle mit einer Turbine anzutreiben. Er kaufte beim Maierwerk (Maier Wasserkraft GmbH) in Bielefeld eine Francis-Turbine, Baujahr 1947, die 1948 eingebaut wurde. Laut Datenblatt ist sie für 5,1 Meter Fallhöhe und 142 Liter pro Sekunde ausgelegt und leistet dabei 7,7 PS, also etwa 5,6 Kilowatt. Das entspricht einem Wirkungsgrad von knapp 80 Prozent.
Heute ist die Turbine an einen Generator gekoppelt, der Strom für den Eigenbedarf erzeugt. Zugegeben, ohne das klappernde Wasserrad geht etwas Romantik verloren:
Es klappert die Mühle am rauschenden Bach, klipp klapp.
Bei Tag und bei Nacht ist der Müller stets wach, klipp klapp.
Der Müller ließ die Turbine vermutlich Tag und Nacht laufen. Bei uns läuft sie nur tagsüber, denn sie macht im Betrieb laute, klatschende Geräusche. Laut dem Vorbesitzer war das schon immer so. Nach ersten Messungen und Versuchen glauben wir, die Ursache zu kennen.
Für technisch Interessierte: Kavitation und Teillastzopf
Die Turbine arbeitet oben mit dem Wasserdruck einer etwa 3 Meter hohen Wassersäule und unten mit dem Sog eines etwa 2 Meter langen Saugrohrs, das bis zum Boden reicht. Zusammen nutzt sie so die ganzen 5 Meter Fallhöhe.
Ausgelegt ist sie für 142 Liter pro Sekunde, betrieben wird sie aber mit etwa 30 bis 40 Litern pro Sekunde. Mit einem Stellrad lassen sich die Leitschaufeln so verstellen, dass die Turbine auch mit dieser kleinen Wassermenge läuft, allerdings im Teillastbetrieb, weit weg vom Auslegungspunkt. Weil sich das Saugrohr nicht anpassen lässt, entsteht hinter den Laufschaufeln ein sehr starker Unterdruck.
Fällt der Druck dort unter den Verdampfungsdruck des Wassers, kommt es zur Kavitation: Das Wasser verdampft und bildet Dampfblasen, die gleich darauf wieder in sich zusammenfallen. Diese Implosionen knallen laut, und direkt an den Schaufeln können die dabei entstehenden harten Wasserstrahlen das Metall abtragen. Werden die Leitschaufeln noch weiter angestellt, bildet sich in der Mitte des Kanals ein Strang aus kavitierenden Wirbeln.
Eine Beobachtung am Ausgang des Saugrohrs passt dazu: Obwohl das Rohr dicht zu sein scheint, strömt ständig schraubenförmig „Luft“ heraus. Tatsächlich ist es Wasserdampf, ein rotierender, korkenzieherartiger Kavitationsschlauch. Bei Francis-Turbinen im Teillastbetrieb ist das als Teillastzopf bekannt.
Abhilfe könnten eingeblasene Luft, Leitbleche gegen den Drall oder ein passenderes neues Saugrohr schaffen, bevor man über eine neue Turbine nachdenkt. Unser erster Versuch ist eine Doppelregelung: Die Drehzahl wird dabei nicht nur über das Stellrad, sondern zusätzlich über die Last des Generators geregelt.
