Von Scott Gentleman
Website Exklusiv – November 2007
Acht Jahre lang lebten Tracey und ich in einem solarbetriebenen Haus, und in acht bewölkten Wintern ließen wir jede Woche einen kleinen Honda-Generator laufen, um unsere Batterien aufzuladen. Wir wussten, dass der ursprüngliche Besitzer unseres Hauses eine kleine Wasserkraftanlage mit dem ganzjährig fließenden Bach auf dem Grundstück betrieben hatte, aber wir haben diese Möglichkeit nie in Betracht gezogen, weil der Bach durch dichten Wald floss. Außerdem konnten wir nur feststellen, dass das Gefälle in seinem Verlauf nicht ausreichte.
Site Level
Schließlich beschlossen wir, das Site Level von Backwoods Solar zu verwenden, um zu bestätigen, dass Wasserkraft keinen Sinn machte. Zu unserer großen Überraschung zeigte sich bei der Durchquerung des Waldes von einem potenziellen Turbinenstandort bis zu einem günstigen Einspeisepunkt ein Gefälle von etwa 80′. Unmöglich, erklärten wir und nahmen an, dass unsere Technik versagt haben musste. Um unsere Methode zu überprüfen, verwendeten wir dieselbe Wasserwaage, um das Gefälle von unserer Zisterne bis zum Spülbecken zu messen. Wir wussten, dass dieses Gefälle 56 Fuß betrug, weil wir bei der Installation des Schwerkraftsystems einen Transit zur Messung verwendet hatten. Die Überprüfung mit der Wasserwaage ergab etwa 60 Fuß und bestätigte, dass wir wussten, wie man die Wasserwaage benutzt.
Voila, Wasserpotenzial. In der trockensten Zeit des Jahres ist unser Bach etwa drei Fuß breit und drei bis vier Zentimeter tief, und mit einem Fünf-Gallonen-Eimer und einer Stoppuhr konnten wir feststellen, dass über 300 gpm an unserer Einlassstelle vorbeifließen. Wow, eine Menge Potenzial. Bei einem Gefälle von 80 Fuß zeigte eine Düsentabelle, dass wir theoretisch 134 gpm durch eine Harris 4-Düsen-Turbine mit 7/16″-Düsen leiten könnten. Als Nächstes sahen wir uns die Watt-Leistungstabelle des Motorcraft-Generators von Don Harris an. Bei 134 gpm und 80 Fuß Fallhöhe konnten wir hochrechnen, dass wir 725+/- Watt erzeugen könnten. Allerdings müssten wir dann eine 1100 Fuß lange Druckleitung installieren. Weitere Diagramme. Um die Reibungsverluste zu verringern und das maximale Leistungspotenzial zu erhalten, stellten wir fest, dass eine 4″-Rohrleitung bei Verwendung aller vier Düsen nur etwa 9 Fuß an Bruttohöhe einbüßen würde.
Flume Creek
Eine schnelle Bewertung der Vorteile dieser Energiemenge überzeugte uns davon, mit einer Installation fortzufahren. Aber wir schrieben das Jahr 1999, und Backwoods Solar war mit dem Jahr-2000-Hype sehr beschäftigt, so dass Tracey und ich wenig Zeit für eine Installation hatten. Und zu dieser Zeit war mein Fachwissen über Wasserkraft nicht gerade ein Fachwissen. Also wandten wir uns an Lee Tavenner von Solar Plexus in Missoula, MT, um ein schlüsselfertiges System zu entwickeln, das auch seine Installationsarbeit einschließen würde. Lee stellte freundlicherweise die Komponentenliste zusammen, obwohl er wusste, dass wir den Großteil der Komponenten bereitstellen würden; wir einigten uns auf einen Preis, und er fand in seinem vollen Terminkalender Zeit für eine Installation an einem Wochenende im September.
Vor diesem Wochenende mussten Tracey und ich die Trasse für die Druckleitung durch den Wald entwickeln, durch den sich der Bach schlängelte. Der Weg des geringsten Widerstands führte über alte und zugewachsene Holzabfuhrwege und durch dichten Wald. Wir markierten den Weg mit Hilfe von Vermessungsbändern und stellten einen Nachbarn mit einer Planierraupe ein, um den Weg zu schneiden und zu räumen. Ein anderer Nachbar mit einem Bagger wurde beauftragt, das Einlaufbecken, den 4′ tiefen Graben, den Turbinenstandort und den Abflusskanal zum Bach auszuheben.
Lee empfahl uns, Polyethylenrohre hoher Dichte zu verwenden, da diese resistent gegen Quetschungen sind und bei Frost nicht brechen. Sein Händler in Missoula lieferte dreißig 4″-Rohre zu unserem abgelegenen Haus, konnte aber nur bis auf 1000 Fuß an unsere Grabenlinie heranfahren. Ein Honda-Dreiradfahrzeug konnte jeweils drei Stücke bis auf 300 Fuß heranschleppen, und Tracey und ich trugen jedes Stück den Rest der Strecke. Das war keine unerträgliche Arbeit, aber ein 40′-Rohr kann große Wellen schlagen, wenn man das Tempo nicht richtig aufeinander abstimmt!
Hydro-Ansaugung
Diese Rohrstücke müssen miteinander verschmolzen werden und nicht wie PVC geklebt. Lee würde die kleinen Maschinen für diese Prozedur mieten und sie am Installationswochenende mitbringen. Unser 3500-Watt-Generator von Honda würde die Schmelzmaschine mit Strom versorgen.
Als Nächstes sammelten wir die verschiedenen Komponenten des Stromsystems und installierten sie. Angesichts der Entfernung von der Turbine zu unserer Batteriebank, die 350 Fuß betrug, entschieden wir uns für ein 24-Volt-System. (Obwohl die PV-Anlage, die unser Haus mit Strom versorgt, mit 12 Volt arbeitet und viele unserer Verbraucher mit 12 Volt Gleichstrom betrieben werden, wussten wir, dass ein EQ12/24-20 es uns ermöglichen würde, unsere 12-V-Gleichstromkreise aufrechtzuerhalten und dafür zu sorgen, dass unsere 24-V-Batteriebank ausgeglichen bleibt). Die Entfernung von 350 Fuß von der Turbine zu den Batterien und unser 700-Watt-Erzeugungspotenzial veranlassten uns, 1/0-Kupferkabel für die direkte Erdverlegung zu wählen, um die Übertragungsverluste zu minimieren.
Weitere bestellte Artikel waren: eine 4-Düsen-Motorcraft-Turbine von Don Harris, die für die Parameter unseres Standorts ausgelegt ist; ein Trace SW4024-Wechselrichter; ein Backwoods Solar Powercenter-Kit, das um die Trace DC250-Trennbox und den Trimetric-Batteriezähler von Bogart Engineering herum gebaut wurde; ein Trace C40 mit digitaler Anzeige; zwei Enermax 900-Watt-Airloads, die für 24-Volt-Systeme ausgelegt sind; ein analoges Inline-Ampèremeter zur Messung des Wasserstroms an der Stromversorgungsanlage; vier Trojan L-16HC-Batterien; und verschiedene Kabel, Sicherungen usw.
Wasserturbine
Günstigerweise beschlossen wir, dass unser neues System in einer Werkstatt untergebracht werden sollte, die nur wenige Meter von unserem Haus entfernt war. Das 12-Volt-PV-System war auf unser Haus beschränkt, mit Solarmodulen auf dem Küchendach und Wechselrichter, Batterien usw. in unserem Wohnzimmer. Durch den Umzug würden wir das allgegenwärtige Brummen des SW2512-Wechselrichters aus unserem Wohnraum entfernen und den Abstand zwischen unserem Holzofen und dem Wasserstoffgas der Batterien erheblich vergrößern. Durch die Installation unseres 24-Volt-Systems in der Werkstatt wurde die Stromversorgung unseres Hauses nur dann unterbrochen, wenn wir den SW2512 von unserem AC-Servicecenter trennten und den SW4024 wieder daran anschlossen; und wenn wir unseren abgesicherten 12-Volt-Stromverteilerkasten von den Lineage-Batterien unseres Hauses trennten und ihn wieder an die 12-V-Hälfte unserer 24-Volt-Trojan-Batteriebank in der Werkstatt anschlossen.
Lee kam am Freitagabend an und blieb bei uns. Am Samstagmorgen begannen wir mit der Verschweißung der 1200 Fuß 4″ HDPE-Rohr. Das Verschmelzen ist meist eine Ein-Mann-Aufgabe, die Lee übernommen hat. Dabei werden zwei Rohrenden zusammengezogen und in das Gehäuse der mit einem Generator betriebenen Fixiervorrichtung eingesetzt. Nach dem Einsetzen werden die Rohrenden arretiert, und ein Hebel steuert ihre Bewegung. Eine rotierende Schneidvorrichtung mit Klingen, die den beiden Rohrenden zugewandt sind, wird zwischen die Rohrenden eingeführt, und der Hebel wird bewegt, wodurch die Stücke in die Klingen gezogen werden, die sie zueinander ausrichten. Nach dem Ausrichten wird ein Heizelement zwischen die Enden gelegt; der Generator bringt das Heizelement auf die richtige Temperatur, und dann werden die Rohrenden gleichzeitig mit dem Hebel gegen das Heizelement gezogen. Das heiße Element darf etwa ¼“ jedes Rohrendes aufweichen; das Element wird entfernt, und der Hebel zieht die Stücke zusammen, wo sie miteinander verschmelzen. Die Naht kühlt ein paar Minuten ab, und dann geht Lee zur nächsten Verbindung. Zunächst zweifelte ich an der Festigkeit dieser Verbindung, doch wiederholte Versuche, die frisch verschmolzene Naht zu brechen, schlugen fehl.
Während Lee verschmolz, brachten Tracey und ich die einzelnen Rohrstücke zu den entsprechend verteilten Verschmelzungsbereichen. Wenn Lee eine Naht beendete, zogen Tracey und ich den immer länger werdenden Rohrabschnitt von Lee weg, damit er das nächste Stück anschweißen konnte. Anfangs konnten Tracey und ich 200 Fuß verschweißtes Rohr zum nächsten Bereitstellungsbereich schleppen, aber am Nachmittag, nachdem das fünfte Rohrstück angebracht war, sehnten wir uns nach Lees Hilfe. Erschwerend kam hinzu, dass der Graben auf dem Weg vom Ansaugteich zum Turbinenstandort von einer Seite zur anderen wanderte, um eine möglichst gerade Linie zu erreichen. Wir mussten den Graben und seinen Erdaushub immer wieder überqueren, um die Rohre und den Generator je nach Bedarf zu bewegen. Bei Einbruch der Dunkelheit waren wir erschöpft und hatten noch 200′ Rohre zu verschmelzen. Hätten wir es besser gewusst und hätte Lees Zeitplan es zugelassen, hätte ich mich dafür entschieden, die gesamte Druckrohrleitung zu verschmelzen, bevor der Graben ausgehoben wurde, und die Pferdestärken des Dreiradfahrzeugs zu nutzen, um die Rohre ohne das Hindernis des vier Fuß tiefen Grabens und seiner Eingeweide zu ziehen.
Hydroschuppen
Am Sonntagmorgen ging es zurück in die Gräben. Wir beendeten das Schmelzen, warfen die fertige Rohrleitung in den Graben und versuchten dann, dafür zu sorgen, dass das Rohr auf seiner gesamten Länge kontinuierlich absinkt. Natürlich rutscht ein vier Fuß tiefer Graben in oft weichem, feuchtem Boden und verursacht unzählige Erhebungen, die wir mühsam mit der Handschaufel absenken mussten. Dann pufferten wir das Rohr von Hand mit etwa 6″ Erde ab, bevor die Planierraupe den größten Teil der Aufschüttung darüber schob und drohte, auch uns abzudecken, wenn wir nicht schnell genug pufferten.
Endlich konnten wir die Turbine an das Rohr anschließen. Am Turbinengehäuse (d.h. einem Loch im Boden) installierten wir ein Manometer, einen 2″-Abfluss, einen Absperrschieber und ein Kardangelenk in einer Reihe vor der Turbine. Lee lieferte ein speziell angefertigtes Plexiglas-Auffangbecken mit einem 6″-Abflussstutzen, auf dem die Turbine montiert wurde. Wir bauten die Turbine in die Rohrleitungen ein, befestigten ein 6″-Abflussrohr am Becken, schlossen die Lichtmaschine an die Batterie (+) und (-) an und öffneten den Absperrschieber kurz nach unserem Bier. Das Peltonrad surrte; ein kurzer Druck auf den Startknopf am Bedienfeld der Turbine schaltete das Feld des Generators ein, und sein Amperemeter sprang an.
Unsere fröhliche Stunde wurde jedoch schnell getrübt. Als wir anhoben, erreichten die fast voll geladenen Trojan L-16HC-Batterien schnell den Sollwert für die Hauptspannung, den wir in den C40 einprogrammiert hatten. Wie es sich gehört, hätte der C40 damit begonnen, Strom umzuleiten, aber ohne dass wir es wussten, schaltete er sofort auf Überstromabschaltung um. Ungeregelt stieg die Batteriespannung weiter an. Schließlich gingen wir in den Stromschuppen, stellten einen unglaublichen Wasserstoffgeruch fest, hörten ein gewaltiges Blubbern aus den Batterien, bemerkten die orangefarbene LED des C40, die Überstrom anzeigte, und rannten los, um den Wasserfluss zur Turbine abzuschalten.
Verblüfft überprüften wir alle Anschlüsse, bestätigten die Polaritäten und Spannungen und beschlossen, das Gerät wieder in Betrieb zu nehmen, gerade als die Nachbarschaft zu einer Vorführung hereinkam. Das Schieberventil öffnete sich; der Strom entwickelte sich; die Spannung stieg an; der C40 wurde beobachtet; und als der C40 begann, umzuleiten, bumm, Überstromabschaltung. Mehr Wasserstoff, mehr Blasenbildung, ein weiteres Rennen zur Turbine, kein Strom und verwirrte Eigentümer, Installateure und Nachbarn. Noch schlimmer war, dass wir wussten, dass Lee nach Missoula fahren musste. Er hatte seine Abreise bereits um ein paar Stunden verschoben, um uns an diesen Punkt zu bringen. Zum Glück waren unsere Batterien voll, wir hatten den Honda-Generator, falls wir ihn brauchten, und wir konnten die Störung per Telefon beheben.
Hydro Powered Home
Schließlich löste Lee das Problem. Wir hatten eine Ein-Ohm-Luftlast von Enermax mit 900 Watt bestellt. Bei 30 Volt würde diese Last etwa 30 Ampere ableiten. Als wir jedoch die Widerstände des installierten Enermax maßen, wurden nur 0,5 Ohm angezeigt. Ein halbes Ohm und 30 Volt führten zu einer sofortigen Ableitung von 60+ Ampere, was zu einer Überstromabschaltung des C40 führte (unser frühes C40-Modell war für eine Abschaltung ab 62+/- Ampere ausgelegt). Wir tauschten den Übeltäter gegen eine Ein-Ohm-Version aus, und das System funktionierte sofort wie angekündigt.
Nach ein paar Wochen, in denen wir zwei Düsen betrieben, stellten wir fest, dass wir einen Überfluss an Energie hatten. Unsere Turbine hatte vier Düsen und unser Bach könnte bei Bedarf alle vier Düsen versorgen, aber im Alltag konnten wir die Energie, die zwei Düsen erzeugten, nicht nutzen. Also verkauften wir unsere Sonnenkollektoren, verkauften unseren 8-Kubik-Propan-Kühlschrank und ersetzten ihn durch ein elektrisches 14-Kubik-Kenmore-Gerät, brachten unsere 23-Kubik-Gefriertruhe mit nach Hause, die immer bei einem Nachbarn mit Netzstrom gelebt hatte, trennten unsere 120-V-Wechselstrom-Brunnenpumpe vom Generatorstromkreis und schlossen sie wieder an das Wechselstrom-Lastzentrum unseres Wechselrichters an, und wir installierten ein 120-V-Wechselstrom-Wasserheizelement in unserem Warmwassertank. Wenn es zu warm für holzbeheiztes Warmwasser ist, öffnen wir eine dritte Düse und schalten das AC-Wasserheizelement ein. So haben wir zwar nicht unbegrenzt warmes Wasser, aber es reicht zum Duschen, Abwaschen und Wäschewaschen für uns beide, wenn wir es brauchen.
Bis jetzt mussten wir noch nie vier Düsen benutzen. Kaum zu glauben, dass unser Bach mit „so wenig Potenzial“ einen so luxuriösen alternativen Hausstand und Lebensstil ermöglicht. Wir freuen uns und werden täglich daran erinnert, wie viel Glück wir haben, wenn wir mit Leuten sprechen, die mit einem netzunabhängigen Strombudget zurechtkommen müssen.
Scott und Tracey sind Miteigentümer von Backwoods Solar, einem Katalogunternehmen, das sich auf alternativ erzeugten Strom für abgelegene Häuser spezialisiert hat, in denen Versorgungsleitungen nicht verfügbar oder nicht praktikabel sind. Das Unternehmen wird von Mitarbeitern betrieben, die ihre netzunabhängigen Häuser ausschließlich mit den Produkten versorgen, die sie verkaufen. Klicken Sie auf den obigen Link, um ihre Website zu besuchen.