Wie eine Wassermühle Strom macht
Unterschlägig oder oberschlägig: Wie eine Wassermühle aus Fließwasser Drehkraft macht und wie aus Drehkraft heute Strom für den Hof entsteht.
Wie eine Wassermühle Strom macht
Unsere Wassermühle steht seit 1598 am Hof Ostermühlen. Ein Balken trägt bis heute die Jahreszahl. Nach der Übernahme durch Familie Lüke 2011 wurde das Wasserrad saniert, und die Mühle ist wieder in Betrieb. Sie liefert einen Teil des Energiebedarfs am Hof. Was klassisch ein Mahlwerkzeug war, ist heute eine kleine Kraftwerksanlage. Wir erklären, was beide Funktionen technisch ausmacht, wie das Wasserrad selbst arbeitet, welche Bauarten es gibt und wie aus Drehkraft Strom wird.
Das Grundprinzip
Eine Wassermühle wandelt die Energie von fließendem Wasser in eine Drehbewegung um. Diese Drehbewegung treibt klassisch ein Mahlwerk, eine Säge oder einen Hammer an. In modernen Anlagen treibt sie einen Generator, der die mechanische Energie in elektrischen Strom umwandelt.
Das Wasser bringt zwei Formen von Energie mit. Erstens die Bewegungsenergie, die aus der Strömungsgeschwindigkeit kommt. Zweitens die Lageenergie, die aus dem Höhenunterschied kommt, wenn das Wasser von oben nach unten fällt. Welche der beiden Energieformen ein Wasserrad nutzt, hängt von seiner Bauart ab.
Unterschlägig: Die einfachste Bauart
Beim unterschlägigen Rad fließt das Wasser unter dem Rad durch. Es trifft die unteren Schaufeln, die in das Wasser tauchen, und treibt das Rad durch reine Strömungskraft an. Dieses Prinzip funktioniert auch in flachen Flussläufen ohne großes Gefälle. Es war die früheste Form des Wasserrads und im Mittelalter besonders in den Tieflandgebieten Norddeutschlands verbreitet, weil hier kaum natürliche Höhenunterschiede zur Verfügung stehen.
Der Nachteil: Der Wirkungsgrad ist niedrig. Ein unterschlägiges Rad nutzt nur etwa 25 bis 35 Prozent der Wasserenergie, weil ein großer Teil der Strömung am Rad vorbeischießt, ohne Arbeit zu leisten. Außerdem schwankt die Leistung stark mit der Wasserführung. Im Hochwasser kann das Rad sogar überspült werden, bei Niedrigwasser kommt es zum Stillstand.
Oberschlägig: Mehr Kraft, mehr Ruhe
Beim oberschlägigen Rad wird das Wasser von oben auf die Schaufeln geleitet, typischerweise durch eine hölzerne Rinne oder einen Mahlkanal. Es füllt die Schaufeln vollständig, und die Schwerkraft zieht das Rad nach unten. Erst am unteren Punkt verlässt das Wasser die Schaufel wieder.
Diese Bauart nutzt beide Energieformen, die Bewegungsenergie der Zuleitung und die Lageenergie des Falls. Der Wirkungsgrad ist deutlich höher, oft 60 bis 70 Prozent. Außerdem ist das oberschlägige Rad ruhiger im Lauf, weil das Wasser kontrolliert auf die Schaufeln aufläuft und nicht in das Rad einschlägt wie beim unterschlägigen.
Voraussetzung ist ein ausreichendes Gefälle, das man oft durch einen Mühlenteich künstlich herstellt. Das Wasser wird hinter dem Damm aufgestaut, und vom oberen Wasserspiegel des Teichs zum unteren Punkt des Wasserrads ergibt sich die Fallhöhe.
In unserem Fall wurde das Wasserrad 1864 von unter- auf überschlägig umgebaut, mit einem Gefälle von 18 Fuß, das sind rund fünfeinhalb Meter. Das ist für eine norddeutsche Mühle ein beachtlicher Wert, der durch die Anlage des Mühlenteichs ermöglicht wurde.
Mittelschlägig: Die Zwischenform
Eine dritte Bauart, das mittelschlägige Rad, gibt es ebenfalls. Das Wasser läuft hier ungefähr auf Höhe der Radmitte zu, von vorn oder seitlich. Wirkungsgrad und Bauweise liegen zwischen unter- und oberschlägig. In der Praxis ist diese Bauart seltener und kommt vor allem dort vor, wo das Gelände keine eindeutige Entscheidung erlaubt.
Was Gefälle und Wassermenge bestimmen
Die Leistung einer Wassermühle hängt von zwei Größen ab: dem Volumenstrom des Wassers (Kubikmeter pro Sekunde) und der Fallhöhe (Meter Höhenunterschied). Beide multiplizieren sich. Wenig Wasser mit großer Fallhöhe und viel Wasser mit kleiner Fallhöhe können dieselbe Leistung ergeben.
Die rechnerische Größe heißt hydraulische Leistung. Sie ergibt sich aus dem Produkt von Volumenstrom, Fallhöhe, Dichte des Wassers und Erdbeschleunigung. Für die meisten Anwendungen reicht eine einfache Faustformel: Pro Sekunde ein Kubikmeter Wasser bei einem Meter Fallhöhe liefert rund zehn Kilowatt Bruttoleistung. Davon kommt nach Abzug des Wirkungsgrads des Rades und der Übertragungsverluste ein nennenswerter Teil als nutzbare Leistung an.
Wie aus Drehung Strom wird
In der klassischen Mühle hat die Drehbewegung des Wasserrads über eine Welle ein Mahlwerk angetrieben, mit dem Getreide zu Mehl gemahlen wurde. Über Übersetzungen mit hölzernen Kämmen und Zahnrädern konnte das Drehmoment angepasst werden.
In moderner Nutzung wird die Drehbewegung über eine Welle und ein Getriebe an einen Generator weitergeleitet. Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um, in der Regel als Wechselstrom. Eine Steuerelektronik passt Spannung und Frequenz an die Netzbedingungen an, sodass der Strom entweder direkt im Haus genutzt oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann.
Bei kleinen Wassermühlen-Anlagen, wie sie für einen Hof üblich sind, liegt die installierte Leistung im einstelligen bis niedrigen zweistelligen Kilowatt-Bereich. Das reicht aus, um einen substantiellen Teil des Eigenverbrauchs zu decken, vor allem in den wasserreichen Monaten von Herbst bis Frühjahr. Im Sommer, wenn die Au weniger Wasser führt, sinkt die Leistung entsprechend.
Wassermühlen in Schleswig-Holstein
Norddeutschland hatte historisch eine hohe Dichte an Wassermühlen. Allein in Schleswig-Holstein sind über tausend Mühlenstandorte aus dem Mittelalter und der frühen Neuzeit dokumentiert. Die Pulser Au, an der unsere Mühle liegt, hat mehrere alte Mühlenstandorte entlang ihres Laufs.
Mit dem Aufkommen der Dampfmaschinen und später der elektrischen Mühlen verloren die Wassermühlen ihre wirtschaftliche Bedeutung. Die meisten wurden aufgegeben, viele wurden in den 1950er und 1960er Jahren abgerissen oder verfielen. In den letzten Jahrzehnten gibt es eine Gegenbewegung: Mühlen werden wieder saniert, teils aus denkmalpflegerischen Gründen, teils als kleine Kraftwerke. Die Deutsche Gesellschaft für Mühlenkunde und Mühlenerhaltung dokumentiert diese Anlagen und unterstützt die Wiederinbetriebnahme.
Unsere Mühle
Die Wassermühle auf unserem Hof wurde 1598 in der heutigen Form errichtet, nachdem sie zuvor an einem anderen Ort in der Nähe gestanden hatte und wegen mangelnden Gefälles umgesetzt werden musste. 1683 wurde sie neu erbaut, 1864 von unter- auf überschlägig umgestellt. 1868 wurde durch das Aufstauen der Pulser Au der Mühlenteich angelegt, der bis heute den Wasserspeicher für die Mühle bildet.
Seit der Sanierung durch Familie Lüke nach 2011 dreht sich das Rad wieder. Es treibt einen Generator an, der Strom in den Hofbetrieb einspeist. Daneben stehen Photovoltaik-Anlagen und Hackschnitzelheizung aus dem eigenen Forst. Drei Energiequellen, alle vom Hof selbst.
Was klassisch Mahlwerk war, ist heute Kraftwerk. Was klassisch Getreide gemahlen hat, mahlt heute Kilowattstunden. Das Prinzip ist seit 1598 dasselbe. Die Anwendung wandert mit der Zeit.
Verwandte Seiten bei uns:
Quellen:
- Deutsche Gesellschaft für Mühlenkunde und Mühlenerhaltung (DGM)
- Mühlenlexikon: Eintrag „Wasserrad" und „Oberschlägig"
- Wikipedia: „Wasserrad", „Mühle"
- Kreisarchiv Rendsburg-Eckernförde: Bauakten zur Mühle Ostermühlen
