Eine kleine theoretische Micro-Wasserkraftanlage

Ich habe in letzter Zeit immer mehr Videos auf Youtube gesehen mit Micro Stromgeneratoren aus Wasserkraft.

Hier einige Beispiele:

https://www.youtube.com/watch?v=ipEMgHIBrNg

https://www.youtube.com/watch?v=9RS9QvQI6nc

https://www.youtube.com/watch?v=JkFANxLQwo4

https://www.youtube.com/watch?v=LUK3mOTgweQ

https://www.youtube.com/watch?v=7lqGCNfcYf8

https://www.youtube.com/watch?v=mtMO3VmCmiQ

https://www.youtube.com/watch?v=Cf03vaR6ebQ

https://www.youtube.com/watch?v=iWZYzXKxve0

https://www.youtube.com/watch?v=sGtdO_B4XSw

https://www.youtube.com/watch?v=-N1ZvIQ02Gg

https://www.youtube.com/watch?v=OLuNUX6Cw5A

Soweit ich beurteilen kann, handelt es sich hierbei immer um die gleichen paar „Turbinen“ nämlich F50-5V, F50-12V, F50-80V, AC20V und ein weiteres Modell zu welchem ich keine Modellbezeichnung finden konnte aber die anscheinend eine verbesserte Version der bereits genannten Modelle sein soll (das nenne ich jetzt 8,8-15VDC).

Zum technischen Aufbau gibt es Videos und auch ein paar Datenblätter aber sie sind bei weitem nicht ausführlich genug, finde ich.

Zuerst eine kleine Übersicht darüber was ich finden konnte:

F50-12V

F50-80V

F50-5V

?

AC20V

12V

80V

5V

8,8-15vdc

20V

0,8A

0,22A ?

 

0,128-0,260A

0,15A

10W ?

17,6W ?

 

3,5W

3W

DC (1ph)

DC (1ph)

DC (1ph)

DC (1ph)

AC

     

3,6% Druck-Verlust

 

Wie es aussieht, kommen diese kleinen Turbinen aus Fernost und dementsprechend sind die Angaben mit Vorsicht zu genießen. Verschiedene Tests auf Youtube zeigen auch unterschiedliche Resultate. Die meisten scheinen jedoch zu zeigen, dass die Spannung (V) durchaus erreicht wird die angegeben ist aber die Stromstärke (A) scheint wesentlich niedriger zu sein (teilweise gerade mal 10%). Hierzu sei angemerkt, dass die meisten Tests anscheinend von Laien durchgeführt worden sind mit minimalen technischen Hilfsmitteln was dazu führt, dass eine große Messungenauigkeit vorliegen kann. Allerdings reicht das als grobe Information vorerst um zu bestimmen ob sich diese Micro Generatoren für mich eignen würden. Es gibt leider keinen einzigen ausführlichen Test dazu, soweit ich das sehen konnte, daher habe ich mir ein paar Gedanken dazu gemacht.

Sie sind prinzipiell dazu gedacht um sie bei Wasserhähnen/Wasserschläuchen etc. anzuhängen und dadurch Strom zu produzieren.

Nun meine Überlegung bzw. Theorie als Besitzer einer Photovoltaikanlage:

Würden sich diese Generatoren eignen um („richtig“) Strom zu produzieren während ich Wasser verbrauche?

Vorweg: ich weiß nicht inwieweit die Wasserlieferanten da was zu melden haben hinter dem Zähler, aber das ist nicht Thema dieser konkreten theoretischen Überlegung.

Ich habe herausgefunden, dass ich bei meinen Berechnungen eigentlich viele Variablen außer Acht lassen kann, da diese im Endeffekt alle von einem einzigen begrenzenden Faktor beeinflusst werden: WASSERVERBRAUCH.

Die Generatoren brauchen natürlich eine möglichst hohe Durchflussmenge um auf 100% Leistung zu kommen. In manchen Videos sind es 10 Liter pro Minute in anderen Videos 20 Liter pro Minute usw. Da aber der Wasserverbrauch im Haushalt über die Entnahmestellen stattfinden und diese meist in Form von Wasserhähnen, Duschen, Waschmaschinen usw. anzutreffen sind, können wir schon sagen wie der Wasserfluss sein wird.

[Anmerkung: dadurch, dass der Wasserfluss geschlossen sein soll, kann eine Turbine von der Art Pelton im offenen Betrieb (also mit einem gebündelten Wasserstrahl betreien) nicht verwendet werden also als Strahl, zumindest nicht ohne eine Nase im Inneren zu bauen die den Druck wesentlich mehr verringern würde. Dadurch wäre meine Überlegung generell ob eine Art Kaplanturbine nicht besser wäre von Haus aus.]

Ausgehend vom Idealfall, gibt es einen Wasserhahn der konstant das Wasser auslässt für den gesamten Haushalt.

So ein Wasserhahn oder auch ein Duschkopf hat laut Google-Recherche eine Durchflussmenge von 5 bis 20 Liter pro Minute (je nach Modell). Wobei 5 Liter pro Minute schon recht wenig ist und 20 Liter pro Minute schon ein ordentlich großer Wasserhahn sein muss mit ordentlichem Druck.

Der durchschnittliche Wasserverbrauch in Österreich pro Person pro Jahr ist laut Statistik etwa 42 m³ (also 42.000 Liter Wasser). Hier wird allerdings der komplette Wasserverbrauch berücksichtigt inklusive WC, Dusche, Kochen, Waschen etc. und es wird keine Rücksicht genommen ob man Regenwasser nutzt, Brunnen etc. Als Richtwert reicht uns das allerdings.

Wenn wir nun davon ausgehen, dass diese Turbinen um die 10 Liter pro Minute brauchen um auf 100% Leistung zu kommen, was ich für eine großzügige Annahme halte angesichts der Videos auf Youtube, so würde das bedeuten, dass der Jahresverbrauch Wasser einer Person bei konstantem Fluss von 10 Liter pro Minute (umgerechnet also 600 Liter pro Stunde) in 70 Stunden durchgeflossen ist.

Das würde bedeuten, dass das Modell F50-12V also 70 Stunden lang 10 Watt Gleichspannung produzieren würde für 12V. Selbst wenn wir Umwandlungsverluste und Dergleichen außer Acht lassen, wären das trotzdem nur 700 Watt Jahresproduktion. Also 0,7kWh. Das entspricht je nach Preis für eine Kilowattstunde Strom (bei uns etwa 0,25€) etwa 0,18€ also 18 Cent.

Nochmal: der ganze Jahresverbrauch Wasser einer Person bringt also 0,7kWh. Und das ist unter Idealbedingungen. Realistisch müssen wir davon ausgehen, dass dieser Wert wohl eher bei der Hälfte liegt oder im schlimmsten Fall vielleicht bei gerade mal 10% wie ein paar Videos das zeigen.

Selbst wenn wir von einem 4-Personen Haushalt ausgehen sind es im Idealfall auch nur 2,8kWh Strom pro Jahr. Was bei uns etwa 0,7€ entspricht (also 70 Cent).

Man könnte meinen, dass es trotzdem eine gute Investition ist, wenn man nur den Kaufpreis berücksichtigt. Dieser ist meist bei rund 5-10€. Berücksichtigt man aber auch nur die einfachsten Nebenkosten für einen Spannungswandler oder eine Batterie und selbst wenn man davon ausgeht, dass man nichts für Installation, Verkabelung usw. zahlt, ist sofort Schluss mit Rentabilität.

Beim Modell F50-80V sind theoretisch bis zu 17,6 Watt möglich, aber soweit ich das beurteilen konnte, setzt es eine sehr hohe Durchflussmenge voraus, was bedeutet, dass bei 10 Liter pro Minute die Werte trotzdem vergleichbar sein müssten.

Mehrere Geräte in Serie anzuschließen wäre meine nächste Überlegung gewesen. Hierbei muss aber berücksichtigt werden, dass das beim Hauptanschluss nicht machbar sein wird aus zwei Gründen. Um den Wasserfluss im ganzen Haus zu gewährleisten werden bestimmte Rohre mit bestimmten Durchmessern verwendet. Diese sind bei Hauptleitungen meist um die 1 Zoll (rund 25mm). Nun ist es aber so, dass die Turbinen an der engsten Stelle weit kleiner sind (um einen halben Zoll herum soweit ich das verstanden habe aus den Videos). Also wäre die Wasserversorgung des Hauses beeinträchtigt. Man müsste sie also parallel anschließen bei der Hauptleitung, was dazu führt, dass sich an der Berechnung nichts ändert im ersten Schritt [hierzu später mehr]. Der zweite Grund warum man nicht in Serie schalten kann (also hintereinander um mit dem gleichen Wasser mehrere Turbinen anzutreiben), selbst wenn man den ersten Grund ignoriert oder einen anderen Weg findet ist, der Druckverlust jedes Mal wenn das Wasser durch eine Turbine läuft. Bei uns hat das Wasser einen ungedrosselten Druck von etwa 7bar. Damit man überall noch genug Druck hat, haben wir festgestellt, dass wir mindestens 3,5bar brauchen um auch oben noch genug Druck bei der Duscharmatur zu haben. Die einzige Turbine zu der ich Infos in dieser Hinsicht finden konnte, besagte, dass ein Druckverlust von 3,6% zu erwarten ist und dass die Turbinen etwa 5,5-6bar (je nach Modell) maximal vertragen laut Beschreibungen (wobei ich nicht weiß ob Stoßdrücke da mitberücksichtigt werden). Selbst wenn man sich also traut diese Plastikturbinen bis auf 6bar zu belasten und ein hohes Wasserschadenrisiko hat, schaut nur folgendes für mich heraus: 6bar kann ich einleiten und 3,5bar sollen herauskommen. Das bedeutet, dass ich 2,5bar entbehren kann. Das entspricht 41,67%. Geteilt durch 3,6% heißt das, man könnte 11 oder 12 Stück anschließen hintereinander. Das wiederum hört sich vielleicht interessant an. Aber nur wenn man tatsächlich mit 10W Leistung rechnen kann und das ist mehr als ungewiss ohne ausführliche Tests. Und nur wenn man eine Möglichkeit findet die Geräte in Serie zu montieren, denn wie gesagt, der Durchmesser ist wesentlich geringer im Inneren der Turbinen, was einen Anschluss beim Hauptwasseranschluss schwierig macht.

Eine mögliche Lösung wären mehrere Stränge die man nachher wieder zusammenführt. Also konkret teilt man den Hauptanschluss in mindestens 2 Stränge mit je 6 Turbinen und anschließend führt man sie wieder zusammen.

Sollten wir das alles schaffen reden wir von einer Jahresproduktion bei einem 4-Personenhaushalt von rund 30kWh. Das entspricht etwa 7,5€. Wenn nun also so ein Gerät 5-10€ kostet (Mittelwert 7,5€), hätte man eine Amortisationszeit von rund 10Jahren.

Die Lebenserwartung der Geräte beträgt laut Angaben der Händler etwa 3000 Stunden. Selbst wenn wir von der Hälfte ausgehen sollte das unter normalen Umständen, also ohne Defekte, für lange Zeit ausreichen und daher kein Problem darstellen.

Sehr schwer hier eine eindeutige Aussage zu treffen ohne zu wissen ob die Teile tatsächlich 10W erzeugen, was laut den Videos online eher nicht der Fall ist.

Was ich aber sicher sagen kann ist, dass die Turbinen, bei mir nicht in Gebrauch kommen würden ohne ordentliche TÜV oder ähnliche Prüfungen die mir eine Belastung von 6bar garantieren. Denn so ein Wasserschaden kostet X mal mehr als was sie je bringen könnten. Da kann ich mir nicht vorstellen sie bis an die Belastungsgrenze zu treiben, was wiederrum einen großen Pluspunkt wieder zunichtemacht, denn man könnte nicht mehr 12 Stück verwenden sondern vielleicht nur mehr die Hälfte.

Was auch feststeht für mich, ist dass es unrentabel ist, wenn ich noch Spannungswandler, Batterie etc. dazukaufen muss. Bei mir wäre ein Zusammenschluss mit der PV Anlage denkbar unter Umständen und daher muss ich nicht viel zusätzlich besorgen. Dennoch ist der wichtigste Ausschlussgrund bei mir eindeutig die Tatsache, dass eine Montage bei der Hauptleitung zur Folge hätte, dass ich nicht genug Wasser durchbekommen könnte anschließend weil der Rohrdurchmesser damit stark verkleinert wäre. Ich hätte praktisch Engstellen im Rohrnetz. Und da ist natürlich die Problematik mit den unzureichenden Daten.

Wie gesagt, hätte ich mir vorstellen können so ein System zu basteln aber angesichts dieser Tatsachen kommt es für so nicht in Betracht, zuweilen ich jetzt nicht Geld ausgeben möchte um den Test wegen der Leistung durchzuführen. Laut meiner Berechnung hätte ich reine Materialkosten von mehreren hundert Euro wenn ich mehrere dieser Turbinen testen würde und dazu kommen noch Spannungswandler und Rohrmaterial um daraus was Brauchbares zu basteln.

Interessant wäre es, wenn solche Turbinen auftauchen mit folgenden Eigenschaften:

  • Druckbeständigkeit 10 bar und mehr
  • Unterschiedliche Anschlussdurchmesser (mit Adaptern auch realisierbar prinzipiell)
  • Kaplanturbine statt Wasserrad (Pelton)
  • Die Engstellen in den Turbinen sollten größer sein um mehr Wasserfluss zu ermöglichen
  • Ordentlichen Datenblättern mit realen/belastbaren Werten

Wo könnte man es dennoch verwenden?

Nun könnte man schauen wo es rund um das Haus dennoch zum Einsatz kommen könnte.

Was ich mir vorstellen kann, ist natürlich ein Einsatz an Standorten wo ein fließendes Gewässer auf dem eigenen Grundstück vorhanden ist aber der eine oder andere hat sowas vielleicht nicht.

Darüber hinaus könnte ich mir vorstellen, dass eine Verwendung auf dem Ende eines Wasserschlauchs im Garten nicht schlecht wäre, wenn man im Dunkeln wässern möchte kann man dort eine kleine (fix montierte) LED Lampe betreiben. Das wäre doch mal eine Geschäftsidee: Ein Wasserschlauch mit integrierter Lampe die keine Batterien braucht, denn sie wird mit dem Wasserfluss betrieben. Ob es nicht einfacher wäre ab und zu eine neue Batterie in die Lampe zu stecken, muss wohl wer anders überlegen und ausrechnen.

Ich habe bei unserem Wasserzähler gesehen, dass dieser wahrscheinlich so eine kleine Turbine verwendet denn es ist ein digitaler Wasserzähler und ich sehe keinen Stromanschluss. Der wird wahrscheinlich die geringe Menge an Strom die er braucht wohl so erzeugen. Da spart man sich einen Stromanschluss des Zählers.

Sonst fällt mir jetzt nicht mehr ein.

Sollten neue Informationen zu den Geräten auftauchen, wäre eine neue Analyse der Idee sicher interessant.

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