Wasserkraft

Funktionsweise:
Das Wasserrad wandelt die Energie des Wassers in elektrischen Strom um. Beim oberschlächtigen Wasserrad trifft das Wasser von oben auf das Rad und füllt die Schaufeln. Das Gewicht setzt das Rad in Bewegung. Die Drehbewegung wird im Generator in elektrischen Strom umgewandelt. Der Frequenzumformer bewirkt, dass auch kleine Wassermengen gut genutzt werden. Fliesst wenig Wasser im Bach, dreht das Wasserrad zweimal pro Minute. Bei Hochwasser füllen sich die Schaufeln schneller, das Rad dreht 9 Mal pro Minute.

Technische Daten:
Gefälle Wasserfall	4.45 m
Raddurchmesser	4.10 m
Mittlerer Durchfluss	36 Liter/s
Schluckvermögen	100 Liter/s
Umdrehungszahl Rad	2-9 U/min
Elektr. Nennleistung	3500 Watt
Einzugsgebiet	1.6 km²
Jahresertrag	ca. 8300 kWh
Getriebe	1:80
Synchrongenerator mit Frequenzumformer:	5.5 kW
Planungsbeginn	2001
Baubewilligung	2022
Baujahr	2022/23
Konzession	bis 2047

A: Weitere Informationen

Die langwierige Planungsgeschichte (2001-2022)

Nachdem die Drechslerei ihren Betrieb eingestellt und die Sägerei auf Elektrobetrieb umgestellt hatte, wurde es still um die Wasserkraft am Hagtobelbach. Der Weiher hinter der Staumauer füllte sich mit Geschiebe, die Zugangswege rutschten ab, die Turbinenleitung verrostete und platzte an mehreren Stellen.

Weil die historischen Wasserrechte untergegangen waren, benötigte die neue Anlage eine neue Wasserrechtskonzession. In den letzten Jahrzehnten sind viele Wasserbaugesetze in Kraft getreten, zum Beispiel in Bezug auf Restwassermengen. Eine realistische Chance auf eine Bewilligung gab es einzig für die Nutzung des Wasserfalls.

Zuerst begann die Suche nach einer geeigneten Turbine. Dann dämmerte die Erkenntnis, dass bei dieser Wassermenge und bei diesem Gefälle ein traditionelles Wasserrad die bessere Lösung ist. Das Projekt nahm Form an. Ein erster Entwurf wurde beim Kanton eingereicht.

Geplant war eine seitliche Wasserentnahme unmittelbar nach der Brücke. Hochwasser würde wie gewohnt im Bachbett über den Wasserfall stürzen, aber maximal 100 Liter pro Sekunde würden dem Kanal des Wasserrades zugeführt. Die Antwort vom Kanton war, dass für diese baulichen Massnahmen zuerst die Bedingungen des Hochwasserschutz erfüllt werden müssten. Um ein Jahrhunderhochwasser abzuleiten, müsste die Bachsohle um einen Meter abgesenkt und die Brücke abgebrochen und neu gebaut werden. Unter diesen Bedingungen war das Wasserradprojekt nicht finanzierbar. Die Situation war verfahren, die Motivation auf einem Tiefpunkt angelangt.

Eine Mediation mit Patrizia Egloff von Energietal Toggenburg, der Fischereiaufsicht und den Bewilligungsbehörden von Kanton und Gemeinde brachte das Projekt 2018 einen Schritt weiter. Für die alte Turbinenleitung zur Sägerei gab es noch die alte Wasserfassung mit einem Schacht in der Bachsohle direkt an der Kante des Wasserfalls. In der Diskussion wurden Bedingungen für eine Konzession geklärt:

• Keine baulichen Veränderungen am Bachlauf
• Keine neue Wasserfassung, dafür den bestehenden Schacht nutzen
• Das Wasserrad muss an die Hauswand verlegt werden
• Das Wasser muss nach dem Wasserrad ins Tosbecken zurückgeführt werden
• Schriftliche Erklärung, dass bei einer Bachsanierung der geänderte Zulauf auf unsere Kosten geplant und erstellt werden muss

Der Hochwasserschutz verlangte zusätzlich eine hypothetische Studie, wie die Bachsanierung aussehen könnte. Das Wasser würde mit einer Klappe auf die ursprüngliche Höhe gestaut. Bei Hochwasser müsste die Klappe automatisch öffnen.

Zulaufkanal

Die Projektänderung aufgrund der hochwasserschutztechnischen Auflagen machte eine Verkleinerung des Wasserrades nötig, damit die bestehende historische Wasserfassung saniert und wieder in Betrieb genommen werden konnte. Das Wasser fällt jetzt durch die Gitterstäbe in den Schacht, wird am Grund umgelenkt, steigt über den Siphon auf und wird im Holzkanal über einen Bogen auf das Rad gelenkt. Der Bewilligung stand nun nichts mehr im Weg. Geholfen hat sicher, dass Energietal Toggenburg hinter dem Projekt stand und dass die Anlage für Schulen und die Öffentlichkeit zugänglich gemacht wird.

Das Rad

Gebaut wurde das Wasserrad als Lehrabschlussarbeit von Simon Lehmann und Cédric Dobler der Firma Egli Holzbau in Oberhelfenschwil. Der Radkasten besteht aus einheimischer Lärche, die Speichen sind aus Eiche. Welle und Rosette (= Scheibe für die Aufnahme der Speichen) wurden von der Firma Burger in Engetried (Allgäu, Deutschland) auf Mass gefertigt.

B: Hintergrund

Form der Schaufeln

Unsere Vorfahren haben die Wasserräder im letzten Jahrhundert perfektioniert. Durch die Form der Kammern soll das Wasser so lange wie möglich im Rad verbleiben und erst ganz unten ausfliessen. Anderseits darf kein Wasser hochgezogen werden, das würde das Rad bremsen. Der Wirkungsgrad eines guten Holzrades liegt bei etwa 80%. Das ist energetisch traumhaft gegenüber einem Dieselmotor oder Atomkraftwerk mit 35% Energieausbeute

C: Aufgaben

Frage 1

Jede Sekunde fliessen 100 Liter Wasser aufs Rad. Das verteilt sich in vier Kammern. Wieviel Wasser ist in jeder Kammer?

Lösung:

25 Liter

Frage 2

Zwischen Füllen und Ausleeren sind in der Radhälfte 15 Kammern gefüllt. Wie viele kg Wasser drehen das Rad an?

Lösung:

15×25 kg = 375 kg

Frage 3

Ein 3.Klässler wiegt 25 kg. Wie viele 3.Klässler müssten sich ins Rad setzten?

Lösung:

15 Schülerinnen und Schüler

Frage 4

Wenn das Wasserrad 3 kW Arbeit eine Stunde lang leistet, was könnte man mit diesen 3 kWh antreiben?

Lösung:

Backofen

Staubsauger

Laptop

Handy

1 h bei 3kW

3 h bei 1kW

100 h bei 30W

300 h bei 10W

Anmerkung: 1000 Watt (W) = 1 Kilowatt (kW) und 1 KW x 1 Stunde = 1 Kilowattstunde (kWh)

D: Werkidee

Folgt in Kürze.