Herrenhaus Cragside, Bild: WEG

Cragside gilt als das erste dokumentierte Haus, das komplett mit aus Wasserkraft erzeugtem elektrischen Strom beleuchtet wurde. Bild: WEG

William Armstrong war ein bedeutender britischer Industrieller des 19. Jahrhunderts und ein Pionier in der Nutzung von Wasserdruck zum Betrieb hydraulischer Ausrüstung. Im Laufe seines Lebens bewies er eine geradezu visionäre Haltung im Hinblick auf die Senkung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die Notwendigkeit zur Entwicklung erneuerbarer Energiequellen. Um seine Ideen in die Tat umzusetzen, ließen er und seine Frau Margaret das Herrenhaus Cragside in Northumberland ausbauen. Auf einer Fläche von mehr als 6,8 Quadratkilometern legten sie fünf künstliche Seen an, die zur Erzeugung von Strom aus Wasserkraft benutzt wurden, wodurch Cragside weltweit das erste dokumentierte Haus ist, das komplett mit aus Wasserkraft erzeugtem Strom beleuchtet wurde.

Als erster Ingenieur und Wissenschaftler erhielt Armstrong einen Sitz im englischen Oberhaus. Er hinterließ ein umfangreiches Vermächtnis, zu dem auch sein spektakulärer Wohnsitz zählt. Das Haus beherbergt zahlreiche technische Einrichtungen, die zu ihrer Zeit revolutionär waren, unter anderem hydraulisch betriebene Aufzüge, Geschirrspülmaschinen und Bratspieße. Mithilfe eines WEG-Motors, der im Zuge der Inbetriebnahme einer neuen Wasserkraftschnecke installiert wurde, konnte jetzt die berühmteste seiner Errungenschaften – die Stromerzeugung aus Wasserkraft – wieder zu neuem Leben erweckt werden.

Effiziente Stromerzeugung – im Sinne Armstrongs

Wasserkraftschnecke, Bild: WEG
Eine Wasserkraftschnecke beruht auf dem uralten Prinzip der Archimedischen Schraube und ist auch heute noch eine effiziente Möglichkeit der Energieerzeugung bei hohem Wasservolumen oder Wasserdurchfluss sowie niedriger Fallhöhe. Bild: WEG

Das Wasserkraftwerk mit Archimedes-Schraube befindet sich an der Hauptzufahrt des Anwesens. Es wird durch einen künstlichen See gespeist und kann je nach Niederschlagsmenge den ganzen Tag laufen. Nachts kann sich der See, falls nötig, wieder füllen.

Für das Projekt wurde eine Wasserkraftschnecke gewählt, weil sie auch bei geringer Fallhöhe mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Sie funktioniert auch ohne Wasserdruck, benötigt werden lediglich ein ausreichender Wasserfluss und eine bestimmte Fallhöhe. Beide Voraussetzungen werden durch die künstlichen Seen erfüllt, die genau für diesen Zweck gebaut worden sind. Aufgrund des Anlagendesigns gewährleistet der hocheffiziente WEG-Asynchronmotor der Baureihe W22 in Effizienzklasse IE3 mit einer Leistung von 18,5 Kilowatt, der generatorisch betrieben wird, die gesamte Beleuchtung des Hauses.

IE3-Motor der Baureihe W22, Bild: WEG
Der mit Überdrehzahl betriebene IE3-Motor der Baureihe W22 fungiert in der Wasserkraftanlage als Generator und gewährleistet die Beleuchtung des gesamten Hauses. Bild: WEG

In Cragside treibt die Schnecke den Motor mit einer Drehzahl oberhalb seiner Synchrondrehzahl von 980 Umdrehungen pro Minute an. Lediglich beim Hochfahren des Systems benötigt der Motor Strom, um anzulaufen. Der Motor hat einen Wirkungsgrad von 93 Prozent, was zu einer hocheffizienten Energieumwandlung der Schnecke sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb führt. Die Motoren bieten einen Leistungsfaktor von 0,85 bis 0,86 und eine Leistung zwischen acht und zehn Kilovoltampere. So gewährleisten sie eine effiziente Energieumwandlung, wenn das abwärts fließende Wasser die Schnecke in Drehung versetzt.

„Ich glaube, er [Lord Armstrong] wäre hoch erfreut über diese neue Wasserkraftanlage. Als innovativer Denker interessierte er sich für alles, was genutzt werden konnte, um mit Wasserkraft Strom zu erzeugen. Er hat schon damals darüber nachgedacht, dass die Kohlevorräte nur noch für 200 Jahre ausreichen und künftige Generationen möglicherweise Sonnenenergie nutzen könnten – er war ein großer Visionär“, kommentiert Robin Wright, Techniker in Cragside, das Projekt. Warum sich Elektromotoren besonders zur Stromerzeugung in derartigen Anwendungen eignen, erläutert Phil Hall, Vertriebsingenieur bei WEG: „Bei den meisten modernen Wasserschneckenkraftwerken gibt es im System eine gewisse Trägheit, zum Beispiel aufgrund der physischen Größe der Schnecken oder durch die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes. Die Verwendung eines Motors ist in diesem Falle sinnvoll, weil der Motor die Schnecke antreiben kann, bis diese ihre Betriebsgeschwindigkeit erreicht und dann das fließende Wasser den Antrieb übernimmt. Sobald das Wasser die Schnecke antreibt, wird der Motor auf Betrieb mit Überdrehzahl umgeschaltet, das heißt, er läuft oberhalb seiner Synchrondrehzahl und erzeugt dann elektrische Energie.“

Technik im Detail: W22-Asynchronmotoren

Die Motorenbaureihe W22 umfasst verschiedene Baugrößen. Bild: WEG

Die Motorenbaureihe W22, erhältlich in den Baugrößen IEC 63 bis 355 A/B, bietet sehr gute Leistungseigenschaften über den kompletten Leistungsbereich von 0,12 bis 500 Kilowatt. Für spezielle Anwendungen sind die Motoren der Baureihe W22 mit erhöhten Schutzarten bis IP66 erhältlich und sie können auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen spezifiziert werden.

Eine Besonderheit ist, dass WEG bereits seit 2013 eine umfassende Palette an W22-Asynchronmotoren in Effizienzklasse IE4 (Super Premium Efficiency) mit Leistungen von unter drei bis 355 Kilowatt anbietet. Die energiesparenden IE3/IE4-Motoren kombinieren Produktmerkmale wie hoher Wirkungsgrad, breites Sortiment, weltweite Verfügbarkeit und gutes Preis-Leistungs-Verhältnis – unabhängig davon, ob sie als Motoren oder Generatoren eingesetzt werden. Betrachtet man die Lebenszykluskosten (TCO) eines solchen Motors über die gesamte Betriebsdauer hinweg gerechnet, so machen die Anschaffungskosten üblicherweise weniger als fünf Prozent der Gesamtbetriebskosten aus. Die Energieeinsparungen hingegen, die durch die Motoren erzielt werden, gleichen die Mehrkosten in der Anschaffung mehr als aus, besonders bei Anwendungen, die im Mehrschichtbetrieb oder rund um die Uhr laufen. jl