mini|Oberschlächtiges Wasserrad im Freilichtmuseum Neuhausen ob Eck mini|Unterschlächtiges Wasserrad beim Rheinfall in Neuhausen (Schweiz) mini|Luttermühle als Säge- (links) und Getreidemühle (rechts) mit jeweils eigenem oberschlächtigen Wasserrad(Luttermühle am Weesener Bach, Hermannsburg, um 1960)
Ein Wasserrad, oft auch Mühlrad, ist eine Wasserkraftmaschine, welche die potentielle oder kinetische Energie des Wassers nutzt, um Wassermühlen aller Art, Arbeitsmaschinen oder Wasserschöpfwerke und Generatoren von kleinen Wasserkraftwerken anzutreiben.
Bedeutung links|mini|Ein altes Wasserrad am Stiglbach(Dornbirn, Österreich) mini|Laxey Wheel (auch Lady Isabella,mit 22 m Durchmesser größtes noch existierendes original funktionierendes Wasserrad weltweit,oberhalb Laxey auf der Isle of Man, Foto von 1900) In vielen industrialisierten Regionen haben Wasserräder heute kaum noch wirtschaftliche Bedeutung. Die meisten stehen in den zahlreichen zu Museen umgebauten Mühlen, einige treiben kleinere Generatoren an und dienen der Stromerzeugung. Teilweise laufen Wasserräder nur zu dekorativen Zwecken ohne Energienutzung. Im Schlosspark Nymphenburg in München betreiben Wasserräder allerdings seit über 200 Jahren bis heute die Pumpwerke für die beiden Fontänen vor dem Schloss. Ein wichtiger Unterschied zwischen Wasserrädern und Turbinen: Wasserräder können ohne Regelung und mit stark schwankenden Wassermengen ohne nennenswerte Einbußen beim Wirkungsgrad laufen. Die dann vom Wasserrad erzeugte Antriebsenergie variiert dabei entsprechend.
Neben den reinen Wassermühlen gab und gibt es Mühlen, die ihre Antriebskraft aus der Kombination von Wasser- und Windenergie beziehen. Eine der wenigen heute noch komplett erhaltenen derartigen Mühlen ist die Hüvener Mühle im nördlichen Emsland.
Die meisten Wasserräder stehen in den Entwicklungsländern Afrikas und Asiens als Hilfsmittel vor allem der Landwirtschaft zur Verfügung. Das weltweit zur Verfügung stehende Leistungspotenzial von Wasserrädern dürfte nach seriösen Schätzungen im Bereich einiger Terawatt liegen. Typischerweise liefert ein Wasserrad eine Antriebsleistung im ein- bis zweistelligen Kilowatt-Bereich. Es stellt einen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung der Wasserkraft dar, da es durch seine geringe Leistung und dezentrale Anordnung nur einen kleinen Eingriff in die Natur erfordert.
Geschichte mini|Wirkungsgrad des oberschlächtigen Turaswasserrades mini|links|Darstellung der römischen Sägemühle von Hierapolis in Kleinasien.Die aus dem 3. Jahrhundert n. Chr. stammende Mühle ist die erste bekannte Maschine, die mit einem Mechanismus aus Kurbelwelle und Pleuelstange arbeitete.Tullia Ritti, Klaus Grewe, Paul Kessener: A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications. In: Journal of Roman Archaeology. Bd. 20 (2007), S. 138–163 (161).
Die Erfindung des Wasserrades durch griechische Ingenieure im 4./3. Jahrhundert v. Chr. stellte einen Meilenstein in der Entwicklung der Technik dar, da durch die Nutzung der Wasserkraft mechanische Energie nutzbar gemacht werden konnte.John Peter Oleson: Greek and Roman Mechanical Water-Lifting Devices: The History of a Technology. University of Toronto Press, 1984, ISBN 90-277-1693-5, S. 325ff.John Peter Oleson: Water-Lifting. In: Örjan Wikander: Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History. (Technology and change in history 2). Brill, Leiden 2000, ISBN 90-04-11123-9, S. 217–302. Zu Anfang dienten Wasserräder der Bewässerung in der Landwirtschaft, als Schöpfrad zum Heben von Wasser. Solche Schöpfräder sind seit vor der Zeitenwende in den hellenistischen Staaten und im Römischen Reich, später auch in Indien und China verbreitet.
Bereits in römischer Zeit wurden Wasserräder auch für den Antrieb von Mahlmühlen genutzt. Der römische Baumeister und Ingenieur Vitruv beschreibt in seiner architectura aus dem 1. Jahrhundert v. Chr. sowohl das Prinzip des Wasserschöpfrads als auch das der -mühle ausführlich. Der früheste Nachweis einer Wassermühle in Deutschland gelang den Archäologen durch die Ausgrabung einer Mühle aus der Zeit um Christi Geburt an der Inde. Funde in der alemannischen Siedlung Mittelhofen bei Lauchheim datieren aus dem 6. Jahrhundert. Bereits im 9. Jahrhundert gab es viele Mühlen in Zentralfrankreich. Seit dem 12. Jahrhundert waren Wassermühlen in Mitteleuropa verbreitet. Später kam die Nutzung von Ölmühlen, Walkmühlen, Sägemühlen, Hammerwerken, Papiermühlen und Schleifmühlen hinzu. Der beginnenden Industrialisierung diente das Wasserrad zum Antreiben von Maschinen über die ersten Transmissionen. Auch im Bergwesen wurden sie zum Materialtransport und zur Entwässerung eingesetzt. So wurde im Oberharzer Bergbau mit Beginn des 16. Jahrhunderts der durch die Pest von 1348 zum Erliegen gekommene Bergbau auf Blei, Kupfer und Silber wieder aufgenommen. Im Jahr 1868 veröffentlichte Alfred Dumreicher eine detaillierte Beschreibung des Oberharzer Wasserkraft-Systems.Alfred Dumreicher: Gesammtüberblick über die Wasserwirthschaft des nordwestlichen Oberharzes. Clausthal 1868. (Erweiterte Neuausgabe: Volkmar Trunz (Hrsg.), Oberharzer Geschichts- und Museumsverein e. V., Clausthal-Zellerfeld 2000, ISBN 3-9806619-2-X). Er zählt darin 190 Wasserräder in der Größe von 6 Fuß (= 1,7 m) bis 40 Fuß (= 11,5 m) Durchmesser auf. Dazu kommen noch drei – für die damalige Zeit ganz moderne – Wassersäulenmaschinen hinzu. 18 Wasserräder haben einen Durchmesser von mehr als 10 Metern und 10 Wasserräder mit 11 Meter Durchmesser und mehr. Dumreicher beziffert die in diesem Wasserkraftsystem erbrachte Leistung auf 1870 Pferdekräfte netto. Dabei wurde hier die Wasserkraft für die besonderen Anforderungen im Erz-Bergbau eingesetzt. Eine der wichtigsten Aufgaben war die Förderung des Erzes von dem unter Tage liegenden Abbaustollen über Höhen von teilweise mehr als 500 Meter zu Tage. Ein mit Erz gefüllter Förderkorb hatte damals ein Gewicht von 300–350 Kilogramm. Weitere Aufgaben waren die Beförderung der Bergleute mit Hilfe der Fahrkunst und das Herausheben des in die Gruben eingesickerten Wassers in Form der bergmännisch genutzten Wasserkunst.
Ein weiteres Beispiel sind die in Möhrendorf an der Regnitz noch vorhandenen neun historischen Wasserschöpfräder, die bereits für den Anfang des 15. Jahrhunderts belegt sind. Eines der größten historischen Wasserräder Deutschlands ist mit 9,6 m Durchmesser, das 1745–1748 erbaute „Große Rad“ in Schwalheim bei Bad Nauheim. Es trieb die mechanischen Pumpen einer frühindustriellen Salinenanlage an. Das größte Wasserrad überhaupt steht auf der Isle of Man. Das Great Laxey Wheel hat etwa 22 m Durchmesser und diente der Entwässerung eines Bergwerks.
Eine ausreichende Wasserversorgung war ein wichtiger Punkt in der Standortbewertung der entstehenden Fabriken, im Gegensatz zu anderen Standortkriterien in der heutigen Zeit. Wesentlicher Punkt, um ein Wasserrad betreiben zu können, waren die Wasserrechte. So findet man heute noch Eigentumsrechte von alten Industriebetrieben im Quellgebiet von Flüssen oder größeren Bächen, die von den Eigentümern nicht mehr genutzt werden. Die zur Verbesserung und Sicherung der Mühlenleistung angelegten Mühlenstauen sind an kleinen Gewässern oft noch als Mühlenteiche erhalten. An größeren Gewässern hatten sie weitreichende Auswirkungen und waren darum im Mittelalter ein Politikum.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts machten es die aufkommenden Wasserturbinen möglich, viel größere Wassermengen und höhere Gefälle zu nutzen. Durch die Einführung der Elektrizität musste die Energie nicht mehr vor Ort mechanisch übertragen werden, sondern konnte in elektrischen Strom umgewandelt werden. Es entstanden Wasserkraftwerke, die auf Grund ihrer Größe kostengünstiger produzieren konnten und die kleinen Kraftwerke mit Wasserrad allmählich verdrängten. Versuche, die vergleichsweise kleinen Wasserräder durch Turbinen zu ersetzen, schlugen vielfach fehl, da beide Antriebe völlig unterschiedliche Eigenschaften haben. Moderne Turbinenentwicklungen eröffnen inzwischen neue Möglichkeiten der Nutzung.
Bauformen von Wasserrädern mini|Diagramm Einsatzbereiche der Bauformen
Wasserräder können nach Art des Wasserzulaufs klassifiziert werden. Je nach Gefälle sowie der Höhendifferenz zwischen Zu- und Ablauf werden verschiedene Wasserräder eingesetzt.
Unabhängig davon unterscheidet man zwischen Zellen- und Schaufelrad. Zellenräder bestehen aus seitlich und nach unten abgeschlossenen Behältern (Zellen), die das Wasser maximal eine halbe Umdrehung festhalten. Diese Bauform wird auch als Staber- oder Kranzrad bezeichnet.Jutta Böhm: Mühlen-Radwanderung. Routen: Kleinziegenfelder Tal und Bärental. Umweltstation Weismain des Landkreises Lichtenfels, Weismain 2000, S. 6. Eine Sonderform stellt das Pansterrad dar, das nach demselben Prinzip aufgebaut, jedoch wesentlich größer und breiter und daher für den Einsatz in Flüssen geeignet ist. Schaufelräder besitzen keine Zellen, sondern nur radial angeordnete Bleche oder Bretter (Schaufeln), die zu allen Seiten offen sind. Um das Wasser in den Schaufeln zu halten, laufen die meisten Schaufelräder in einem Kropfgerinne. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss das Kropfgerinne möglichst eng an der Schaufel anliegen (siehe Abb. „mittelschlächtiges Wasserrad“). Diese Bauform wird auch als Strauber- oder Stelzenrad bezeichnet.
Die Abbildungen „oberschlächtiges Wasserrad“ und „mittelschlächtiges Wasserrad“ zeigen ein Zellenrad, die Abbildung „unterschlächtiges Wasserrad“ ein Schaufelrad.
mini|hochkant=0.8|Größtes oberschlächtiges Wasserrad aus Holz in Europa: Schleiftal bei Calw-Stammheim
Oberschlächtiges Wasserrad mini|links|hochkant=0.9|Oberschlächtiges Wasserrad Beim oberschlächtigen Wasserrad werden Zellenräder eingesetzt. Das Wasser strömt durch eine Rinne (sogenanntes Gerinne oder Fluder) oder ein Rohr zum Scheitelpunkt des Rades, fällt dort in die Zellen und setzt das Rad durch sein Gewicht und seine kinetische Energie (Aufschlagwasser) in Bewegung. Die Fallhöhe liegt üblicherweise zwischen drei und zehn Metern. Oberschlächtige Wasserräder sind seit dem 13. Jahrhundert bekannt. Das größte oberschlächtige Wasserrad innerhalb eines Gebäudes in Europa, mit einem Durchmesser von 10 Metern, dürfte in Böttstein (Schweiz) sein.
Im Gegensatz zur Wasserturbine benötigt ein oberschlächtiges Wasserrad keinen Rechen, um Treibgut herauszufiltern, und der Wirkungsgrad ist weniger abhängig von Schwankungen der Wassermenge. Das Einsatzgebiet liegt bei Gefällen von 2,5 m bis 10 m und Wassermengen bis zu 2 m³/s (typisch sind Gefälle von 3 bis 6 m und Wassermengen von 0,1 bis 0,5 m³/s). Für Mühlen liegen die typischen Wasserradleistungen zwischen 2 und 10 kW. Oberschlächtige Wasserräder werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 1,5 m/s betrieben.
Das Wasser wird bei einem kleinen Wehr, einige 100 m oberhalb des Wasserrades vom Mutterbach abgezweigt und in einem künstlichen Kanal mit wenig Gefälle zum Rad geleitet. Dieser Kanal wird oft als Obergraben, Mühlbach oder oberer Mühlgraben bezeichnet. Das Wehr dient der Regulierung der zuströmenden Wassermenge. Der letzte Teil des Kanals vor dem Rad wird Gerinne genannt. Es besteht häufig aus Holzbrettern oder Metall. Am Gerinne ist ein Freifluter, auch Leerschuss genannt, angebracht, welcher bei Stillstand des Wasserrades das Wasser am Rad vorbeileitet. Eine weitere Anlagenform besteht darin, dass der Obergraben zu einem Stauteich erweitert wird. Das Wasserrad steht in unmittelbarer Nähe hinter dem Teichdamm. Der Wasserzufluss zum Rad wird bei dieser Anlagenform über ein Radschütz gesteuert, welches sich am Ende des Gerinnes befindet.
mini|links|Kehrrad als Teil einer Trommelfördermaschine in De re metallica (Georgius Agricola, 1566)
Leistung und Wirkungsgrad eines oberschlächtigen Wasserrades Die Leistung eines oberschlächtigen Wasserrades errechnet sich zu: