WASSERKRAFTWERK, HEIZUNGSKRAFTWERK UND LICHTWERK. Von Dr.-Ing. Ludw. Schneider, München. SCHNEIDER: Wasserkraftwerk, Heizungskraftwerk und Lichtwerk. Inhaltsübersicht. Durch das Heizungskraftwerk wird niedrig gespannter Dampf für Heiz-, Koch-, Dämpfungs- oder Trocknungszwecke abgegeben, nachdem er sich in Kraftmaschinen von hohem Druck bis zum Heizungsdruck herab entspannt hat. Die Krafterzeugung des Heizungskraftwerkes richtet sich nach dem jeweiligen Bedarf an Abdampf. Es wird untersucht, wie sich ein Heizungskraftwerk, dessen Abdampf ausschließlich für Gebäudeheizung Verwendung findet, als gemeindliches Elektrizitätswerk in den Betriebsplan einordnet, und zwar erstens im Parallelbetrieb mit Wasserkraftwerken, zweitens als Lichtzentrale. Nach Angabe der Stromerzeugungskosten in Heizungskraftwerken wird die Einrichtung derartiger Anlagen kurz besprochen und an Hand eines Beispiels im Bilde vorgeführt. –––––––––– Eine Eigenschaft fast aller Wasserkraftwerke ist, daß ihre Leistungsfähigkeit den Kraftbedarf zeitweilig übertrifft, dann aber wieder unterschreitet. Eine gewisse Ausnahme machen nur jene Kraftwerke, die das Wasser aus Stauseen empfangen. Bei Kraftüberschuß geht ein Teil des Wassers, der in den Maschinen Arbeit leisten könnte, durch den Leerschuß um die Turbinenkammer herum. Das ist vom wirtschaftlichen Standpunkt betrachtet meistens ein Verlust, denn die Wasserkraft sollte tunlichst vollständig ausgenutzt werden. Ist Wassermangel vorhanden, so tritt die „Kraftreserve“ in Tätigkeit. Wie oft und mit welchem Betrag die Reserve beansprucht wird, hängt natürlich ganz von der Art der Wasserkraft und ihrer Verwendung ab. Ist die Kraft, d.h. das Produkt aus Wassermenge f. d. Zeiteinheit und Gefällshöhe zeitlich konstant wie bei den Abflüssen größerer Seen, künstlicher Stauweiher oder bei den Flüssen mit großem Stromgebiet in ihrem Unterlauf und unterliegt der Kraftverbrauch keinen wesentlichen Schwankungen (Karbid-, Aluminium-, Luftstickstoffabrikation usw.), so kann die Reserve klein bemessen werden und braucht nur selten in Tätigkeit zu treten. Das Entgegengesetzte ist der Fall, wenn die periodischen Wasserkräfte der Gebirgsgewässer oder der Flüsse mit kleinem Stromgebiet ausgenutzt werden und vielleicht auch noch der Kraftverbrauch großen Schwankungen unterliegt wie bei vorwiegender oder ausschließlicher Verwendung der erzeugten Energie zu Beleuchtungszwecken. An der Notwendigkeit einer zu großen Kraftreserve ist schon die Errichtung manches Wasserkraftwerkes gescheitert, denn die Reserveanlage belastet die Bilanz des ganzen Werkes in höchst unwirtschaftlicher Weise. Das Bestreben, die Reserveanlage möglichst klein zu halten, ist ja auch bekanntlich der Grund davon, daß unsere Elektrizitätswerke zur Zeit des größten Beleuchtungsbedürfnisses die Abgabe von Kraftstrom sperren oder wenigstens bedeutend erhöhte Gebühren dafür fordern. Als Reserve der Wasserkraft dient in der Regel eine Dampfkraftanlage, seltener eine Anlage mit Diesel-Motoren, Koksofengasmaschinen (in städtischen Gaswerken) oder Sauggasmaschinen. Eine neue Art einer Ergänzungsanlage zu einem Wasserkraftwerk, das Heizungskraftwerk, soll in den folgenden Abschnitten besprochen werden. Unter „Heizungskraftwerk“ sei eine Dampfkraftanlage verstanden, deren gesamter Abdampf für Heizzwecke Verwendung findet. Im Heizungskraftwerk ist also die Erzeugung von Heizdampf die Hauptsache; die Kraft (mechanische oder elektrische Energie) wird als Nebenprodukt gewonnen. Die Wirtschaftlichkeit dieser Vereinigung liegt auf der Hand. Um 1 kg Heizdampf von 1/10 at Ueb. aus Wasser von 60° C zu erzeugen, muß letzterem eine Wärmemenge von 577 Kalorien zugeführt werden. Um den Heizdampf von 1/10 at Ueb. in Kraftdampf von 10 at Ueb. zu verwandeln, bedarf es nur mehr einer Wärmezufuhr von 25 Kalorien, d. s, nur 4 v. H. des vorhin aufzuwendenden Betrages. Läßt man 1 kg trocken gesättigten Dampf von 10 at sich auf 0,1 at Ueb. in einer Maschine entspannen, so kann damit rund 1/12 PS eine Stunde lang geleistet werden. Würde man Sattdampf von 10 at Ueb. in normalen Kondensationsmaschinen verarbeiten, so könnte für 1 kg Dampf rund 1/9 PS/Std. geleistet werden. Für die letztere Leistung sind aber 602 Kalorien aufzuwenden, wenn das Kesselspeisewasser eine Temperatur von 60° hat. Was den Wärmeverbrauch f. d. PS/Std. betrifft, wird also die Maschine mit vollständiger Abdampfausnutzung von keiner anderen Wärmekraftmaschine erreicht. Die jährlichen Ausgaben für Wartung, Instandhaltung, Verzinsung und Abschreibung von Kessel, Maschinen und Gebäulichkeiten sind bei einem Heizungskraftwerk nicht höher als bei einem gewöhnlichen Dampfkraftwerk, so daß alles in allem bei vollständiger Abdampfausnutzung die Krafterzeugung im Heizungskraftwerk ⅓ bis ¼ mal so billig kommt als im modernen Dampfkraftwerk mit guten Ventilmaschinen, Ueberhitzung und Kondensation. Auch bei nur teilweiser Abdampfausnutzung in der Form der Zwischendampfentnahme ergibt sich für das Heizungskraftwerk noch ein ansehnlicher Gewinn, der um so größer ist, je mehr Dampf für Heizzwecke gebraucht wird. Heizungskraftwerke im kleinen sind in großer Vielfältigkeit denkbar. Man braucht nur an die Möglichkeit der Abdampfverwertung in den verschiedenen Industriezweigen zu erinnern. Niedrig gespannter Dampf kann verwendet werden zum direkten und indirekten Heizen, Kochen und Dämpfen, zur Warmwasserbereitung und Lufterhitzung. Umfangreiche Zweige der chemischen Industrie, Papierfabriken, Webereien, Braunkohlenbrikettwerke und Ziegeleien, Zuckerfabriken und Raffinerien, Färbereien und Wäschereien, Imprägnieranstalten, Konservenfabriken und Brauereien erschöpfen noch lange nicht die Reihe jener Gebiete, wo der Heizungskraftwerke eine große wirtschaftliche Bedeutung harrt.Vergl. auch L. Schneider, Die Abwärmeverwertung. Erscheint Frühjahr 1912, Verlag Julius Springer, Berlin. Textabbildung Bd. 327, S. 11 Fig. 1. Durchschnittliche monatliche Niederschlagsmenge nach 5jährigen Beobachtungen a in München (Meteor. Zentralstat.), b in Bamberg. Hier Sei der besondere Fall betrachtet daß das Heizungskraftwerk die Aufgabe hat, eine größere Gebäudegruppe, z.B. eine gemeindliche Krankenanstalt oder mehrere Verwaltungsgebäude, mit Heizdampf zu versehen und mit der erzeugten elektrischen Kraft die Wasserkraftwerke zu unterstützen und zu ergänzen. Zudem sei angenommen, daß die erzeugte elektrische Energie vorwiegend für Beleuchtungszwecke Verwendung finden soll. Der Fall ist also so gewählt, daß sowohl die Krafterzeugung, da sie sich nach der Mächtigkeit der Wasserkräfte und nach dem Heizungsbedürfnis richten muß, als auch der Kraftverbrauch Schwankungen unterworfen ist, und unsere Aufgabe soll sein, zu untersuchen, ob und unter welchen Bedingungen das Wasserkraftwerk und das Heizungskraftwerk wirtschaftlich vorteilhaft zusammenarbeiten können. Die Mächtigkeit der Wasserkräfte richtet sich nach der Zeit und der Dauer der Schneeschmelze sowie nach der Menge und der Verteilung der jährlichen Niederschläge. Die Schneeschmelze dauert in den Alpen im wesentlichen von Mitte April bis Ende Juni, auf den Mittelgebirgen von Mitte März bis Ende April, während im Flachlande selten den ganzen Winter über eine kontinuierliche Schneedecke liegen bleibt, sondern ein Abschmelzen des öfteren eintritt. Die Unterschiede zwischen Gebirge und Flachland sind, was die Dauer der Schneedecke anlangt, sehr beträchtlich. Das Kgl. Bayerische Hydrotechnische Bureau hat in drei aufeinanderfolgenden Wintern Erhebungen über die Schneedecke in Bayern gepflogen. In Tab. 1 sind einige Ergebnisse dieser Forschung zusammengestellt. Die Zahlen sprechen selbst, und es ist nicht nötig, ihnen noch viel Worte hinzuzufügen. Auf einen bemerkenswerten Punkt mag jedoch besonders hingewiesen sein: die lange Dauer der Schneedecke in Bischofsgrün, einem kleinen Fichtelgebirgsdorf am Fuße des Ochsenkopfes. Sein langer Winter wird nur von dem berühmten Wintersportplatz St. Anton am Arlberg übertroffen. Diese hochalpine Schneedecke im Fichtelgebirge ist aber von sehr geringer räumlicher Ausdehnung. Das 20 km in der Luftlinie von Bischofsgrün entfernte Bayreuth weist bereits einen sehr milden Winter auf. Derartige „Schneeinseln“ mitten im Flachland sind natürlich auf die Wasserführung der Flüsse fast ohne Einfluß. Die Niederschlagsmengen pflegen in unseren Breiten in den Monaten Juni bis August (Gewitterregen!) ihre größten Beträge zu erreichen. Die durchschnittlichen Werte auf der Hochebene (München) und in der Tiefebene (Bamberg) sind für den fünfjährigen Zeitraum 1901 bis 1905 in Fig. 1 dargestellt. Tabelle 1. Ort See-höhem Winter Anzahlder Tage mitSchneedecke LängsteDauer Ende GrößteSchneehöhe MärzTage totalTage der un-unterbrochenenSchneedecke Tage Datum cm St. Anton a. Arlberg 1302 1905–06 31 168 154 10. 4. 103 „ 1906–07 31 162 155 23. 4. 162 „ 1907–08 31 165 163 24. 4. 130 Mittenwald 910 1905–06 27 146   51 11. 3. 33 „ 1906–07 21 142 131 14. 4. 105 „ 1907–08 30 138 118 30. 3. 58 München 520 1905–06 12 51    23 25. 2. 22 „ 1906–07 13 84    35 13. 1. 21 „ 1907–08 9 73    32 27. 1. 21 Regensburg 339 1905–06 3 27    15 18. 2. 5 „ 1906–07 7 73    25 17. 2. 13 „ 1907–08 3 56    32 27. 1. 7 Bischofsgrün 680 1905–06 31 173 115 5. 4. 68 „ 1906–07 31 147 132 15. 4. 130 „ 1907–08 31 158 140 1. 5. 107 Bayreuth 450 1905–06 6 29      6 20. 2. 9 „ 1906–07 3 66    31 9. 1. 27 „ 1907–08 6 46    22 18. 1. 9 Bamberg 240 1905–06 4 17      3 17. 2. 8 „ 1906–07 4 50    24 8. 2. 32 „ 1907–08 3 34    12 7. 2. 8 Speyer 105 1905–06 7 22      3 11. 2. 13 „ 1906–07 2 37    15 13. 2. 12 „ 1907–08 3 29    11 7. 1. 7 Dem Minimum im Februar mit 31,8 mm steht auf. der Hochebene ein Maximum im Juli mit 112 mm gegenüber. In der Tiefebene ist die Niederschlagsmenge über die einzelnen Monate etwas gleichmäßiger verteilt. An beiden Kurven lassen sich deutlich zwei Perioden unterscheiden: die niederschlagsarme Zeit von Oktober-März und die niederschlagsreiche Zeit von April–September. In genauer Uebereinstimmung mit der Niederschlagsverteilung und der Schneemelze stehen die Beobachtungen der Pegelstände unserer Flüsse. Der Wasserstand der aus den Alpen kommenden Flüsse Saalach, Isar und Lech ist nach zehnjährigen Beobachtungen in den Kurven a bis e der Fig. 2 graphisch dargestellt. Textabbildung Bd. 327, S. 12 Fig. 2. Mittl. Pegelstand nach 10 jährig. Beobachtungen; a = Saalach bei Freibassing, b = Isar bei Mittenwald, c = Isar bei München, d = Isar bei Plattling, e = Lech bei Schongau. Für die Isar sind die Mittelwerte der Pegelstände an drei verschiedenen Stellen ihres Laufes angegeben, nämlich nahe am Ursprung (Mittenwald), im Mittellauf (München) und im Unterlauf (Plattling). Man kann deutlich sehen, daß im Oberlauf unter dem Einfluß der Schneeschmelze der höchste Pegelstand etwa einen Monat später eintritt als im Unterlauf, nämlich im Juni gegenüber im Mai. Interessant ist es, den Wasserstand im Monat Februar zu verfolgen. Im Hochgebirge (Kurve b) nimmt er gegen den Januar noch ab, da aller gefallener Schnee liegen bleibt. Ein entschiedenes Ansteigen der Isar tritt in Mittenwald erst im April ein. Auf der Hochebene (Kurve c) ist der Wasserstand im Februar bereits etwas höher als im Januar. Die Schneeschmelze tritt im großen Umfang aber erst Anfangs März ein. Am Auslauf der Hochebene (Kurve d) steigt der Wasserstand von Januar bis Februar rasch an, um dann bis zum April gleich hoch zu bleiben. Das Maximum der Schneeschmelze fällt in den Februar. Textabbildung Bd. 327, S. 12 Fig. 3. Pegelstand des Walchensees nach 10 jährigen Beobachtungen. Alle drei Flüsse weisen einen Niederwasserstand von Oktober–März und einen Mittel- und Hochwasserstand von April–September auf. Ein ganz ähnliches Verhalten wie das der Alpenflüsse zeigt der Pegelstand der Alpenseen, die als natürliche Stauweiher besonderes Interesse in der Wasserwirtschaft verdienen. Als typischen Vertreter dieser Wasserbecken können wir den Walchensee ins Auge fassen. In Fig. 3 ist sein mittlerer Pegelstand für die verschiedenen Monate dargestellt. Auch er hat im Mai den höchsten, im Dezember den niedrigsten Wasserstand. Das Verhalten des Walchensees verdient unsere Beachtung hauptsächlich deshalb, weil die Ausbeutung seiner Wasserkraft schon in die Wege geleitet ist. Bekanntlich war eine der größten Schwierigkeiten, die der Ausführung des Projektes in den Weg traten, die Notwendigkeit der Anstauung und Absenkung seines Spiegels, um die Kraft in gleichmäßiger Stärke erzeugen zu können. Die Aenderung des Seespiegels brauchte in viel geringerem Maße stattzufinden, wenn es uns gelänge, für die wasserarme Zeit Oktober–März eine Kraftreserve ausfindig zu machen, die hinsichtlich der Stromgestehungskosten mit einem äußersten Minimum arbeitet. Eine solche Kraftreserve haben wir bereits im Heizungskraftwerk. Verfasser hält die Gründung solcher Werke wohl der Beachtung und Initiative der Behörden und der technischen Unternehmer wert. Ohne Zweifel können künftige Heizungskraftwerke in München und anderen gebirgsnahen Städten für die Ausnutzung der Wasserkräfte der Alpen von einschneidender Bedeutung werden. Ein anderes Verhalten als die Gebirgsflüsse und Seen zeigen die Gewässer des Flachlandes. In Fig. 4 ist der mittlere Pegelstand des Mains in seinem Ober- und in seinem Unterlauf sowie der Pegnitz dargestellt. Wir erhalten ein Bild von fast konträrem Charakter gegenüber Fig. 2 und 3. Der höchste Wasserstand fällt in die Monate Februar-März, im Oberlauf des Mains infolge der Schneeschmelze etwas später als im Unterlauf, der niederste in die Monate Juli–August. Das Verhalten dieser Wasserläufe findet seine gute Begründung in dem frühzeitigeren Abschmelzen der Schneedecke und in der geringeren Intensität der sommerlichen Niederschläge (vgl. Tab. 1 und Fig. 1). Daß auch die geologische Beschaffenheit des Niederschlagsgebietes auf die Wasserführung der Flüsse von Einfluß ist, soll hier nur angedeutet werden, insbesonders da Schneeschmelze und Niederschlagshäufigkeit doch die ausschlaggebenden Faktoren sind. Textabbildung Bd. 327, S. 12 Fig. 4. Mittl. Pegelstand nach 10 jähr. Beobachtungen; a = Main bei Lichtenfels, b = Main bei Aschaffenbürg, c = Pegnitz bei Forchheim. Die bisherigen Ausführungen lassen sich zusammenfassen: Die Mächtigkeit der in den Alpen entspringenden Wasserkräfte ist am größten in den Sommermonaten April–September, am geringsten im Winterhalbjahr Oktober–März. Die Wasserkräfte der Mittelgebirge sind am ergiebigsten in der Zeit von Januar-April, am kärgsten von Juli–November. Wie schon erwähnt, bestimmen zwei Faktoren die Leistungsfähigkeit einer Wasserkraftanlage: Gefällshöhe und Wassermenge. Was die erstere betrifft, so ist zu sagen, daß sie sich mit der Wasserführung ändert insofern, als bei Hochwasserstand durch Rückstau im Unterwassergraben ein Gefällsverlust eintritt, der 10–15 v. H. betragen kann. Daraus folgt wieder, daß Anlagen, die nur für Ausnutzung der Niederwassermenge ausgebaut sind, in wasserreichen Zeiten weniger leisten als in normalen oder wasserarmen. Nur jene Anlagen, die für eine größere Wassermenge als die niederste bemessen sind, die also in der Lage sind, den Verlust an Gefällshöhe durch eine größere Beaufschlagung auszugleichen oder zu überbieten, vermögen die Konjunktur des Pegelstandes auszunutzen. Die Niederwassermenge unserer Gebirgsflüsse beträgt unter ⅓ der Gesamtwassermenge. Es werden somit etwa 70 v. H. der zur Verfügung stehenden Kraftmenge nicht ausgenutzt, wenn das Werk nur für das Niederwasser angelegt ist. Diese schlechte Nutzungsziffer läßt es wirtschaftlich notwendig erscheinen, die Anlagen für eine höhere als die Niederwassermenge zu dimensionieren und für die wasserarme Zeit eine Kraftreserve vorzusehen. Demnach muß bei jährlich konstantem Kraftbedarf die Reserveanlage der Walchenseewasserkräfte im Winter, jene der Pegnitzwasserkräfte im Sommer in Funktion treten. (Fortsetzung folgt.)