Die Nutzung der Wasserkraft – Teil 1: mechanisch

Dem Wasser das Wasser reichen kann nichts und niemand. Seine Nutzung ist existentiell und universell, jahrtausendealt und seine Verwendung von beeindruckender Vielfalt. Wenn heute von der Kraft des Wassers die Rede ist, dann ist allerdings nicht die Kraft gemeint, eine Wiese zum Blühen zu bringen, Äpfel zur Delikatesse oder Hopfen und Malz zum kühlen Bier zu transformieren.

Die Rede ist auch nicht vom Wasser, das unsere Ausdünstung für unsere Umwelt erträglich macht und uns vergnügliche Momente beim Rudern, beim Segeln, beim Surfen, Schwimmen oder Tauchen beschert. Vielmehr geht es um die beiden wirtschaftlich und technisch nutzbaren Einsatzgebiete des Wassers: die hydromechanische und die hydroelektrische Wasserkraft. Dieser Umwandlung in Strom ist der zweite Artikel von powernewz gewidmet.

Die hydro-mechanische Nutzung der Wasserkraft

Der Weg einer Erfindung zur Innovation war schon im Altertum zuweilen lang. Erfunden war das Rad bereits 3’500 Jahre vor Christus. Trotzdem dauerte es noch fast anderthalb Jahrtausende, bis seine Nützlichkeit auch im Zusammenhang mit fliessendem Wasser erkannt worden war. Als Ursache für diese Verzögerung wird ein Überangebot an Leibeigenen vermutet, die Räder für das Mahlen von Getreide billiger mit Muskelkraft drehten, als es eine Wassernutzung versprach. Alte Schriften über eine berühmte Wasser-getriebene Mühlanlage im Süden Frankreichs stützt diese Sichtweise: «Die Anlage stammt aus dem Ende des 3. bzw. vom Anfang des 4. Jahrhunderts und damit aus einer Zeit grosser Knappheit an Arbeitskräften.»

Diese – für die damalige Zeit sehr komplexe – hydromechanische Nutzung der Wasserkraft bestand aus einer Kaskade von einfachen Schöpfrädern.

Von Schöpfrädern und Aquädukten

Ein Schöpfrad ist ein «um eine horizontale Achse rotierendes Wasserrad, das mit einem Teil seines Umfangs in Wasser taucht und mit Wasserkübeln besetzt ist. Diese Kübel füllen sich mit Wasser, wenn sie in den Fluss oder in einen Brunnen eintauchen. Im Bereich des höchsten Punktes des Rades entleert sich der Inhalt der Kübel dann in ein Auffangbecken, von wo aus es in einen Bewässerungskanal fliesst», so die Definition. Oder aber – wie bei den Römern – konnten diese Schöpfräder in Kombination mit ihren Aquädukten eingesetzt werden.

«Noira» genannte Schöpfräder mit einem Durchmesser von bis zu 30 Metern hissten das Wasser aus den Flüssen mehrere Meter in die Wasserrinnen der Aquädukte. Dabei wurde das Drehmoment des Schaufelrades auf eine durch eine Welle beweglich gelagerte Kette auf eine Trommel übertragen. Die Drehung dieser Trommel beförderte die wassergefüllte Eimerkette nach oben, wo sie sich das Wasser aus den Eimern in eine höher gelegene Wasserleitung entleerte. So diente das Fördergut selbst auch zum Antrieb.

Aus der Höhe kommt mehr Kraft

Diese antiken Schöpfräder wiesen bereits zwei unterschiedliche «Techniken» auf, die auch für die spätere Nutzung der Wasserkraft ihre Analogie finden sollten. Bereits im 3. vorchristlichen Jahrhundert schrieben Chronisten von «unterschächtigen» und «oberschächtigen» Wasserrädern, wobei beim ersteren der untere Teil mit seinen Wasserschaufeln in das fliessende Wasser eintauchte und so – je nach Aufgabe – Wasser entnahm oder vom vorbeifliessenden Wasser lediglich in Drehung versetzt wurde.

Beim oberschächtigen Wasserrad schiesst das Wasser von oben in die Wasserschaufeln und versetzt sie damit in Rotation. Eine «Petitesse»? Mitnichten: Mit der Zeit setzten sich die oberschächtigen Wasserräder vermehrt durch. Der Grund ist ein dreifacher:

• Erstens konnte mit der Einstellung der Neigungswinkel und der Form der Schaufeln der Wirkungsgrad erhöht werden.
• Zweitens: Aus der Höhe auf diese Schaufeln stürzend generiert das Wasser durch sein Eigengewicht ein zusätzliches Drehmoment. So wurde nicht nur die kinetische, sondern auch die potenzielle Energie des Wassers genutzt.
• Und last, but not least – und das sollte für die spätere Nutzung der Wasserenergie essentiell werden: Die zur Nutzung eingesetzte Wassermenge kann mittels geeigneter Zuleitungen reguliert werden.

Wasserradmühlen mahlen stetig

Bis ins 8. Jahrhundert waren die Bewässerung von Feldern, die Versorgung von Aquädukten sowie der Antrieb von Mahlsteinen zur Verarbeitung von Getreide zu Mehl die fast ausschliesslichen Formen der Nutzung von Wasserkraft. Ungefähr in dieser Zeit gelang es, die Rotationsbewegung der Wasserräder in eine Hin- und Herbewegung zu verwandeln und als Antriebsmaschine einzusetzen. Damit eröffnete sich ein gewaltiges Potenzial an Anwendungen der Wasserkraft überall dort, wo regelmässige, repetitive Vorgänge nötig waren.

Dort trieb das Wasserrad eine Art Nockenwelle an, die über Hebelwerke schwere Hämmer anhob und so die Verarbeitung von Eisen zur Herstellung von Werkzeugen, Hufeisen, Waffen oder Eisenreifen und Naben für Transportwagen mechanisierte und rationalisierte. Rund eine halbe Million solcher Wasserräder sollen Mitte des 18. Jahrhunderts in Europa im Einsatz gewesen sein. Wirtschaftshistoriker und Sozialwissenschaftler bezeichneten diese technischen Fortschritte – wie der Einsatz von Wassermühlen zum Antrieb von Hämmern, Sägen, Pumpen und Blasebälgen – als «industrielle Revolution».

Die Mechanisierung von Handarbeit: Vorreiter der industriellen Revolution

Diese erstmalige Nutzung nichtmenschlicher Energie ermöglichte neue mechanische Erfindungen und gemeinhin gilt die Mechanisierung von Handarbeit durch Maschinen als eine der Grundvoraussetzungen der industriellen Revolution. Hauptkraftquelle bei der Gütererzeugung blieb aber zumindest in der ersten Phase der industriellen Revolution neben der Körperkraft des Menschen, der Windkraft und der Kraft der (Haus-)Tiere in erster Linie die Wasserkraft.

Dort trieb das Wasserrad eine Art Nockenwelle an, die über Hebelwerke schwere Hämmer anhob und so die Verarbeitung von Eisen zur Herstellung von Werkzeugen, Hufeisen, Waffen oder Alle diese Nutzungen der Wasserkraft – von einfachen Wasserschöpfrädern über Mühlräder bis hin zu mechanischen Webstühlen – nutzen die «kinetische» Bewegungskraft des fliessenden Wassers.

Ein Pumpwerk für den Zürichberg

Diese erstmalige Nutzung nichtmenschlicher Energie ermöglichte neue mechanische Erfindungen und gemeinhin gilt die Mechanisierung von Handarbeit durch Maschinen als eine der Paradebeispiel für die Nutzung und Übertragung der mechanischen Wasserkraft durch Transmissionen ist das erste Kraftwerk der Stadt Zürich, das Lettenwerk. Kraftwerk, richtig, oder genauer: ein Pumpwerk, denn das war das Lettenwerk bei seiner Inbetriebnahme. Deshalb heisst die Wasserwerkstrasse heute Wasserwerkstrasse, obschon sie an einem Elektrizitätswerk vorbeiführt.

Damals, in den 80er-Jahren des 19. Jahrhunderts, diente das Lettenwerk der Belieferung der reichen Zürcher auf dem Zürichberg mit fliessendem Wasser. Zu diesem Zweck wurde Limmatwasser zum «Resiweiher» hochgepumpt, einem kleinen Weiher am Ende des «Peterstobel» unterhalb des Zürcher Zoos. Dieser «Resiweiher» – der seinen Namen nicht etwa als Hommage von seinen Erbauern an eine holde junge Dame namens «Resi» trägt, sondern wegen seiner Funktion als «Reservoir» für das Pumpwerk Letten – sorgte als eigentliches Urmodells eines Pumpspeicherwasserwerks dafür, dass stets genug Wasser da war, um die Funktion des Lettenwerks als Kraftwerk zu sichern.

Ein Segen für Schreiner, Weber und Co.

Damit war garantiert, dass über kilometerlange, kompliziert geführte Transmissionen (Riemen, Bänder, Ketten) zahlreiche Schreinereien, Webereien und andere Handwerksbetriebe stets mit «Kraft» beliefert werden konnten. Diese mechanischen Transmissionen wurden nach Bedarf alle paar hundert Meter abgezweigt und zu Betrieben geführt, die damit Sägemaschinen, Schleifmaschinen, Strickmaschinen, Webstühle etc. antrieben. Von den Drahtzügen, die die mechanische Energie übertrugen, zeugen heute noch die Steinklötze auf der linken Flussseite gegenüber dem ewz-Kraftwerk.

Aus dem Beitrag eines baukundigen Chronisten aus dem Jahre 1885 geht hervor, dass solche Transmissionen aus Sicherheitsgründen teilweise aber auch unterirdisch geführt wurden. 

Wasser macht Dampf

Daneben aber etablierte sich eine zweite, ebenfalls mit der Nutzung der Wasserkraft verbundene Energiequelle. Allerdings mit Wasser in einem veränderten Aggregatszustand: die mechanische Energieerzeugung und Energieumwandlung durch die Dampfmaschine. Sie wurde schliesslich zum Symbol der industriellen Revolution, denn sie löste – nach einigen Anlaufschwierigkeiten – schliesslich die Energieprobleme, die vor allem durch die exponentielle Nachfrage nach nutzbarer Energie aus der Textilindustrie entstanden waren.

In dieser Zeit wurden aber weiterhin Wind- und vor allem Wasserkraft genutzt, da sie häufig günstiger und dort, wo fossile Brennstoffe zur Erzeugung von Wasserdampf fehlten, mit weniger logistischen Problemen verbunden waren.

Die Dampflok als Symbol der industrialisierten Welt

Nun unterschied sich die Funktionsweise klar von der Nutzung des unbearbeiteten Wassers, das durch die Kompression und Dekompression des produzierten Wasserdampfs mit einer sehr viel höheren Kraftleistung auf die sich drehenden Räder prallte. Damit erhöhte sich die Energieeffizienz und die Anwendungsmöglichkeiten der gasförmigen Wasserkraft. Die Dampfmaschine und damit verbunden die Dampflokomotive eröffnete der industrialisierten Gesellschaft neue Welten.

Die Stromproduktion aus Wasserkraft beschreibt dieser zweite Teil zur Geschichte der Wasserkraft-Nutzung.