Die Wasserkraft nach Ludwig Herbrand

Raum&zeit hat schon 1989 (Nr. 38) unter dem Titel "DAS GEHEIMNIS DER WASSERKRAFT" über die Entdeckung von Dipl. Ing. Ludwig Herbrand und eine von ihm nachgerechnete Turbine, dort als "Herbrand Turbine" bezeichnet, berichtet. Der Artikel hat eine kritische Stellungnahme von Herrn Ing. Eugen Armbruster in Raum und Zeit Nr. 46 ausgelöst. Der Autor dieses erneuten Beitrages hat sich in besonderem Masse mit den Arbeiten von Viktor Schauberger, einem österreichischen Forstmeister und Erfinder, befaßt und glaubt, in Schaubergers Werk den Schlüssel zum Verständnis der Herbrand'schen Entdeckung gefunden zu haben.

Geschichtliches

Zu den "geschichtlichen" Gegebenheiten, die zu Herbrand's Entdeckung führten, sei zunächst folgendes ausgeführt: Herbrand studierte in den frühen Dreißiger Jahren Elektromaschinenbau an der T.H. Aachen. Seine Diplomarbeit war die "Nachrechnung der im Wasserkraftwerk Rheinfelden aufgestellten Generatoren". Es war ferner verlangt, einen Vergleich mit einem Aufsatz in ETZ 1932, S. 233, vorzunehmen.

Bei dem Kraftwerk Rheinfelden handelt es sich um ein Laufwasserkraftwerk, ein Kraftwerk also, das ohne Stau das fließende Wasser direkt den Turbinen zuführt.

Das zu vergleichende Kraftwerk hingegen, das in dem Aufsatz in ETZ 1932 beschrieben war, war das Kraftwerk Ryburg-Schwörstadt, welches im Jahre 1926 etwa 20 km oberhalb von Rheinfelden erbaut wurde. Das Kraftwerk war folgendermaßen beschrieben:

"Stauwehr und Krafthaus stehen nebeneinander quer im Flusse und stauen das Rheinwasser auf etwa 12 Meter über Niederwasser. Vier Turbinen mit einem bis dahin nicht gekannten Schluckvermögen von je 250 cbm/sec übernehmen den Antrieb. Die Generatorleistung beträgt 35.000 KVA."

Das zu berechnende Laufwasserkraftwerk Rheinfelden war in den neunziger Jahren des vorigen Jahrhunderts erbaut worden und mit 20 Turbinen bestückt. Da die aus dem Bodensee abfließende Wassermenge etwa 1000 cbm/sec beträgt, standen für jede Turbine ca. 50 cbm/sec zur Verfügung. Die Leistung eines jeden einzelnen Generators, nach herkömmlicher Art berechnet, betrug 500 - 600 KW, Gesamtleistung des Kraftwerkes also 10 - 12 MW.

Im Kraftwerk Rheinfelden waren jedoch einige von Prof FINZI der T.H. Aachen entwickelte und anscheinend von der Firma J.M. Voith in Heidenheim/Brenz gelieferte Generatoren aufgestellt worden, die wesentlich stärker ausgelegt waren als die alten Generatoren. Eine Beschreibung dieser Generatoren:

"Sie sind für eine Leistung von 32.500 KVA gebaut, und können dauernd mit 10 % überlastet, also 35.000 KVA in Betrieb gehalten werden. Die Spannung beträgt 10.500 Volt bei 50 Hertz und 75 Umdr/min und einem Leistungsfaktor von cos phi = 0,7. Wegen der verlangten dauernden öberlastung sind sämtliche Bean-spruchungen sehr niedrig gehalten."

Herbrand berechnete nun diese neuen Generatoren und fand zu seinem großen Erstaunen, daß hier in Rheinfelden mit etwa einem Fünftel der Wassermenge (50 cbm/sec) und ohne Stau dieselbe Menge Strom gewonnen wurde wie im 20 km entfernten Kraftwerk Ryburg-Schwörstadt mit 250 cbm/sec und 12 Metern Stau!

Er wandte sich an seinen Professor und die Antwort von Prof. Finzi, die Herbrand uns überliefert, war:

"Seien Sie unbesorgt. Es stimmt. Der Generator arbeitet seit längerer Zeit einwandfrei. Rechnen Sie doch einmal rückwärts, dann können Sie sich davon überzeugen. Wir sind Elektro-maschinenbauer, über die anderen Probleme sollen sich die Wasserratten den Kopf zerbrechen. Wir haben ihn jetzt noch einmal nachgemessen und er bringt die angegebene Leistung. - Es weiß nur niemand etwas davon."

Herbrand wurde dann durch den Krieg und die Nachkriegswirren daran gehindert, seinen Ingenieurberuf auszuüben. Erst nach vielen Jahren entsann er sich seiner Diplomarbeit und versuchte, leider ohne Erfolg, die von ihm erstellten Berechnungen bei zuständigen staatlichen Stellen und bei Kraftwerks-konstrukteuren anzubieten. Auch seine Bemühungen, einen patentrechtlichen Schutz für seine Erkenntnisse zu erlangen, blieben erfolglos.

So weit die "geschichtliche" Darstellung. Vielleicht sollten wir aufgrund der hier dargestellten Sachlage, ohne Herbrands Verdienst schmälern zu wollen, die Herbrand Turbine in "Finzi-Herbrand Turbine" umbenennen, denn der eigentliche Konstrukteur ist offensichtlich nicht Herbrand, sondern Prof. Finzi.

Wie dem auch sei, es ist Herbrands großer Verdienst, damit an die Öffentlichkeit getreten zu sein.

Berechnung der Leistung

Wie Dr. Eugen Armbruster in seinem Beitrag in raum&zeit Nr. 46 ganz richtig darstellt, wird die kinetische Energieleistung einer Wasserturbine mit der folgenden Formel berechnet:

E kin = m/2 . v2 (KW)


m bezeichnet die nutzbare Wassermenge, gemessen in cbm/sec. v ist die Geschwindigkeit des Wassers, in m/sec gemessen.

Im Allgemeinen wird nun v durch eine Äquivalenzformel berechnet:ne >
v = Sqrt (2 . g . h)


wobei g die Schwerkraft mit 9,81 m/sec2 und h die Höhe des Wasserstaus bezeichnen.

Hier wird die Sache jedoch kritisch und wir müssen uns klar vor Augen halten, daß diese letztere Formel eine sekundäre Formel zur Ermittlung eines Äquivalents im Fall von aufgestautem Wasser ist. Zur Berechnung von v im fließenden Wasser ist diese Formel nicht geeignet und ist auch gar nicht notwendig. Die Geschwindigkeit des fließenden Wassers kann direkt gemessen und somit quantifiziert werden.

In anderen Worten, Wasser kann seine Geschwindigkeit auf zweierlei Arten erreichen.

Wasser kann aufgestaut werden und wird durch den Staudruck dort, wo das Wasser durch eine Düse oder meinetwegen eine Turbine in eine druckfreie Umgebung abgelassen wird, eine bestimmte Beschleunigung erfahren. Die hieraus resultierende Geschwindigkeit kann mit der obigen üquivalenzformel errechnet werden.

So ergibt sich z.B. aus einem Stau von 12 m Höhe eine Wassergeschwindigkeit von

Sqrt (2 . 9,81 . 12) = 15,34 m/sec.


Bei einer Wassermenge von 250 cbm/sec erhalten wir hier eine kinetische Energie von
250/2 . 15,34 . 15,34 = 29.414 KW,
was der oben angeführten Beschreibung der Generatoren des Kraftwerkes Ryburg-Schwörstadt annähernd entspricht.

Nun zur zweiten Möglichkeit: Wasser kann eine bestimmte Geschwindigkeit auch ohne Stau erreichen. Wir sehen das in der normalen Flußgeschwindigkeit eines Wasserlaufes.

Bleiben wir bei dem Beispiel des Kraftwerkes Rheinfelden. Hier war die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers mit 35 m/sec viel höher als in Ryburg-Schwörstadt. Diese erhöhte Durchflußgeschwindigkeit wurde auf zwei Wegen erreicht. Der Rhein wurde an dieser Stelle durch eine kleine Insel geteilt und dadurch, daß das Wasser durch ein Wehr gezwungen wurde, an einer Seite der Insel vorbeizufließen, wurde der Strom in seiner Breite eingeengt und die Flußgeschwindigkeit somit erhöht.

Eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit wurde durch eine trichterförmige Ausbildung des Turbinenvorlaufes erreicht, so daß das Wasser die Turbine mit der beträchtlichen Geschwindigkeit von 35 m/sec (126 km/h!) durchfloß.

Die kinetische Energie betrug also, nach der oben angegebenen Formel:

50/2 . 35 . 35 = 30.625 KW.


Wir sehen, daß mit einem Fünftel der Durchflußmenge, aber mit einer stark erhöhten Durchflußgeschwindigkeit dieselbe kinetische Energie erzielt werden kann wie mit 250 cbm/sec und einem Stau von 12 m Höhe.

Wollten wir eine Geschwindigkeits-Äquivalenz von 35 m/sec mit einem Stau erreichen, so müßten wir (zurückrechnend) einen Stau von 35 x 35 : 2 : 9,81 = 62,4 m Höhe haben.

Wie ist es möglich, daß durch eine einfache Verengung des Wasserlaufes eine solch große Energie freigesetzt werden kann?

Herbrand versucht, diese Kontraktion durch Einführung eines Faktors n rechnerisch zu erfassen. Er konstatiert, daß mit einer Vergrößerung des Faktors n, also mit einer größeren Kontraktion, die Energie des Wassers steigt und stellt richtig fest, daß dies für unsere "wissenschaftlichen" Experten ein unverständliches Konzept ist.

Viktor Schauberger: "Wir bewegen falsch!"

Der österreichische Forstmeister, Naturbeobachter und Erfinder Viktor Schauberger hat schon in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts die Bewegungsgesetze des Wassers erforscht und erfolgreich angewendet. Er tat den Ausspruch "wir bewegen falsch" und meinte damit ohne Ausnahme sämtliche unserer technischen "Errungenschaften", vom Verbrennungsmotor angefangen bis hin zur naturwidrigen Wasserwirtschaft.

Für unser Verständnis der Herbrand'schen Entdeckung ist es wichtig zu wissen, daß der natürliche Bewegungsablauf des Wassers eine in Fließrichtung der Längsachse nach einrollende Bewegung ist. Diese Bewegungsart hat eine beschleunigende und zugleich kontrahierende Wirkung auf den Wasserlauf. Sie führt dem Wasser Energie zu.

Ein banales Beispiel hierfür ist die Wirbelbildung, die entsteht, wenn Wasser aus einer vollen Badewanne ausläuft. Wir können dies auch an einem Wasserhahn beobachten. Wenn das Wasser ohne Störung (ohne Luftblasen und ohne störende Wirbel) aus dem Wasserhahn fließt, sehen wir, daß der Wasserfluß sich in einer spiralenförmigen Bahn nach unten hin verjüngt und somit beschleunigt.

Sollte jemand Zweifel daran haben, daß die natürliche Spiralbewegung dem Wasser Energie zuführt, führe er sich die ungeheueren Energien vor Augen, die in einem Wirbelsturm konzentriert sind. Diese Energien rühren aus derselben Spiralbewegung her.

Schauberger hat, in den frühen Jahren seiner Karriere als Forstmeister, diesen Effekt beim Schwemmen (Transport in hölzernen Wasserrinnen) von schweren Buchenstämmen angewandt, sehr zum Erstaunen der anwesenden Vorgesetzten und Gelehrten.

Die damalige Wissenschaft hatte, genau wie übrigens auch heute noch, keine Ahnung von der naturrichtigen Bewegung des Wassers und konnte sich nicht erklären, wie ein schwerer Baumstamm mit einem höheren spezifischen Gewicht als dem des Wassers dennoch in Schaubergers Schwemmanlage transportiert werden konnte.

Genauso kommt es auch, daß die Beobachtung von Herbrand bei den wissenschaftlich "gebildeten" Kapazitäten auf Unglauben und Unverständnis stoßen mußte.

Thermodynamik und der Satz von der Erhaltung der Energie

Der Streit um Rheinfelden und um Herbrands Turbine bringt uns direkt in die Höhle des Löwen, denn wir verstoßen hier scheinbar gegen den geheiligten Grundsatz von der Erhaltung der Energie. Ich sage scheinbar, denn in Wirklichkeit ist die Energieerhaltung wohl gewährleistet. Ein Wasserlauf ist eben kein "geschlossenes System", wie unsere Wissenschaftler dies der Einfachheit halber gerne sehen würden.

Da es in dieser Welt wirklich geschlossene Systeme überhaupt nicht gibt, sind sowohl die Thermodynamik, zumindest ihr zweiter Hauptsatz, als auch der Satz von der Erhaltung der Energie in ihrer gegenwärtigen Form nicht haltbar.

Es würde hier zu weit führen, die Grundlagen der Physik und den Energie-erhaltungssatz erschöpfend zu behandeln. Der Autor hat über dieses Thema an anderer Stelle geschrieben.

Schwerkraft oder Beharrungskraft

Zum Thema Wasserkraft sei hier noch abschließend festgestellt, daß Schwerkraft und Beharrungskraft zwar analoge Wirkungen zeigen, daß sie aber doch nicht dieselbe Sache sind.

Wenn wir auch subjektiv nicht in der Lage sind, die terrestrische Gravitation von einer kontinuierlichen Beschleunigung von 1 g (9,81 m/sec2), z.B. in einem Raumschiff, zu unterscheiden, so muß im Zusammenhang mit der Wasserkraft doch zwischen schwerer und träger Masse unterschieden werden.

Eine im Stausee aufgestaute Wassermasse ist eine schwere Masse, die einen Druck ausübt und deshalb eine Turbine anzutreiben imstande ist. Die hier genutzte Energie ist überwiegend der durch Gravitation verursachte Druck, nicht die aus der Bewegung sich ergebende Beharrungskraft.

Eine bewegte Wassermasse ist eine träge Masse, die durch ihre Beharrungskraft eine Turbine anzutreiben imstande ist. Hier nutzen wir überwiegend die sich aus der Geschwindigkeit ergebende Beharrungskraft, also die Massenträgheit.

Der Unterschied liegt in der natürlichen oder widernatürlichen Bewegung des Wassers.

Nach den heutigen wissenschaftlichen Erkenntnissen stauen wir das Wasser auf, wir stoppen also seinen natürlichen Lauf, um dann den Druck dieser stehenden Wassermasse zum Antrieb von Turbinen zu verwenden.

Eine viel wirkungsvollere Art der Nutzung der Wasserkraft wäre, die natürliche Bewegung des Wassers zu nützen, ja möglichst noch zu beschleunigen, um dann aus einer schnell fließenden Wassermasse mehr Energie zu gewinnen, als das aus einer gestauten Masse möglich ist, denn

E kin = m/2 . v2.


Die nutzbare Energie wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Schauberger hat uns die Bewegungsabläufe erklärt, Prof Finzi hat die Turbine konstruiert und Herbrand hat das Paradoxon erkannt und versucht, es uns nahezubringen.

Wann werden wir endlich aufwachen und begreifen, daß wir auch in Sachen Technik mit der Natur, nicht gegen die Natur arbeiten müssen?

Schauberger nannte das übrigens k.u.k. (in diesem Falle: kapieren und kopieren).

Josef Hasslberger
Rom, Italien
1992