Die Haupt-Schalttafel des "Ritterguts Züschen" für den Strom aus der "Wilhelmsmühle"

Die auf einer Marmortafel aufgebaute und von einem dekorativen, begehbaren Holzschrank eingerahmte Drehstrom-/Gleichstrom-Haupt-Schalttafel im "Rittergut Züschen" fasste die Mess- und Schaltgeräte der Energieversorgung des landwirtschaftlichen Anwesens und des "Schlosses Garvensburg" zusammen (s. Foto links bzw. oben).

Die mysteriöse Elektrizität – genauer gesagt die Elektrizitätslehre – ist ein Teilgebiet der Naturwissenschaft Physik, allein schon daher vielen Schülerinnen und Schülern schwer greifbar. Apropos: "greifbar"! Man sieht die Elektrizität nicht, man hört sie nicht. Aber "greifbar" im wahrsten Sinn des Wortes? Dass dies lebensgefährlich sein könnte erfährt eder Lehrling, heute Azubi, gleich zu Beginn seiner Ausbildung: "Hänne inne Kippe", hochdeutsch "Hände in die Hosentasche" bei den Erklärungen des Ausbilders vor einer Schalttafel! Und daher wurden schon sehr früh alle Geräte, die der Messung und Schaltung von Spannungen und Strömen dienten, auf einer isolierenden Tafel aufgebaut. Dies war zu Beginn der Elektrifizierung gegen Ende des 19. Jahrhunderts in unseren Städten der dekorative Marmor. Große Schalttafeln in den Kraftwerken unserer Städte, wie z.B. der ersten Drehstrom-Schaltzentrale Lauffen am Neckar für die Internationale Elektrotechnische Ausstellung 1891 in Frankfurt, oder in Maschinenhäusern von Bergwerken, wie z.B. der Zeche Zollern in Dortmund, waren absolut "state of the art".

Für die Haupt-Schalttafel im Rittergut Züschen", aufgebaut im Büro des Gutsverwalters und umgeben von einer auf Distanz haltenden Schranke, galt das auch. Aber waren sie und alle Aufbauten auch zur Sicherheit der Mitarbeiter und Besucher "nicht greifbar"? Alle Anschlüsse der Messgeräte für die nicht schaltbare Einspeisung des aus der "Wilhelmsmühle" kommenden Drehstroms lagen offen, ebenso die Messgeräte für den im Rittergut aufgestellten Drehstrom-/Gleichstrom-Umformersatz und des damit erzeugten Gleichstroms. Die Schaltgeräte mit Spannungen bis 500 V für den Drehstrom, ebenso die für den Gleichstrom bis etwa 160 V waren frei zugänglich, hatten nach heutiger Definition die Schutzart IP 00, damit also "Schutz gegen nichts"! Außerdem waren sie als reine Trennschalter nicht geeignet, zur lichtbogenfreien Stromkreis-Unterbrechung genutzt zu werden, hiervon ausgenommen vielleicht die beiden Unterstrom-Auslöser für die Akkumulatoren-Ladung. Die beiden großen – links und rechts angeordneten – Doppelzellenschalter für die Zu- und Abschaltung einzelner Akkuzellen sind unter Lichtbogenzündung beim Aufladen der Akkuzellen betrieben worden und weisen deutlichen Materialabbrand auf. Dies vorweg bemerkt jetzt zu den Einzelheiten. Hierzu verweisen wir auf die nach der Bergung aller Anlagenkomponenten durch die damaligen Staatlichen Kunstsammlungen Kassel, heute Hessen Kassel Heritage (HKH), erstellte Skizze (s. Grafik rechts unten, Quelle, *1)

In der obersten Reihe der von der "Elektrizitäts-Aktiengesellschaft vorm Schuckert & Co. (E-AG)" mit ihrem "Technischen Bureau Hannover" (s. Herstellerschild oben in der Holzeinfassung) hergestellten Hauptschalttafel sind mit den fünf Messgeräten in seinerzeit üblicher Rundform mit 160 mm Durchmesser von links nach rechts angeordnet:

• die Messung des Lade-/Entlade-Gleichstroms für die Akku-Anlage 1 (Nr. 1),
• die Messung des Wechselstroms für einen der drei Leiter des Drehstroms, ankommend von der "Wilhelmsmühle" (Nr. 2),
• die Messung des Gleichstroms, geliefert vom Gleichstrom-Dynamo des Umformersatzes (Nr. 3), s. Artikel "7. Der Drehstrom-/Gleichstrom-Umformersatz des »Ritterguts Züschen«",
• die Messung der Wechselspannung für einen der drei Drehstromleiter, ankommend von der "Wilhelmsmühle" (Nr. 4), verm. gegen defektes Instrument später getauscht
• die Messung des Lade-/Entlade-Gleichstroms für die Akku-Anlage 2 (Nr. 5)
  
  

Weiterlesen

Der Drehstrom-/Gleichstrom-Umformersatz des "Ritterguts Züschen"

Über mehr als 1.500 bis maximal 2.000 Meter ließ sich Gleichstrom mit der seinerzeit üblichen Verbraucherspannung von 110 Volt im ausgehenden 19. Jahrhundert wirtschaftlich nicht übertragen, die Leitungsverluste waren zu hoch. Mittel der Wahl war in den USA zunächst einphasiger hochgespannter Wechselstrom (George Westinghouse mit 3.000 V, ca. 133 Hz), aber dafür gab es keine selbst anlaufenden verschleißarme Motoren. Auch zweiphasiger Wechselstrom löste das Anlaufproblem nicht (Nikola Tesla mit G. Westinghouse, 60 Hz). Erst der 1891 auf der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung (IEA 1891) in Frankfurt von der AEG mit Michael O. v. Dolivo-Dobrowolsky vorgestellte Drehstrom, seinerzeit mit 40 Hz, ermöglichte weitgehend verschleißfreie Motoren, wirtschaftlich im Gegensatz zu den etablierten Gleichstrom-Motoren jedoch nur in Drehzahlstufen wie z.B. 1 : 2 (Dahlanderschaltung) darstellbar, stufenlos in einem begrenzten Drehzahlbereich über Widerstände im Stator- oder Rotorkreis nur verlustbehaftet. Aber bestehende und neue Anlagen mit 110 V und weitgehend in Drehzahl (Ankerspannung) und Drehmoment (Reihen- oder Nebenschluss-Schaltung bzw. Feldstromreduzierung) verstellbaren Gleichstrommotoren mussten weiterversorgt werden können. So entstanden rotierende Umformersätze mit antreibenden Drehstrommotoren und Gleichstrom erzeugenden Dynamomaschinen für unterschiedlichste Betriebsweisen. 

So ist das nach Erkenntnis des zu hohen Energieverlusts auf der 110-/120-V-Gleichstrom-Leitung bei fortschreitender Modernisierung des "Ritterguts Züschen" und Fertigstellung des "Schlosses Garvensburg" höchstwahrscheinlich auch gewesen: Der in der "Wilhelmsmühle" ab 1893 mit der Knop-Turbine – über einen leider nicht erhaltenen Gleichstrom-Dynamo – erzeugte Gleichstrom wurde im "Accumulatoren-Raum" gespeichert und bei schwankendem Bedarf in beiden Anwesen verbraucht, im Schloss vermutlich abends. Nach Mitte der 1890-er Jahre weiter installierten Drehstrom-Erzeugungsanlagen ließ Rittergutsbesitzer Wilhelm Garvens, sicherlich auch aufgrund seiner Erfahrungen in der Pumpenfabrik in Hannover, den Gleichstrom-Dynamo gegen einen Drehstrom-Generator der Fa. "Elektrizitäts-AG vormals Schuckert & Co. (E-AG.)" aus Nürnberg austauschen und das Rittergut mit 500 V, 50 Hz versorgen. Dies erforderte im Rittergut die Umformung in Gleichstrom und die Speicherung der in den bisher in der Mühle untergebrachten Akkumulatoren (s. Artikel "8. Die Akkumulator-Anlagen des »Ritterguts Züschen«"). Verbunden damit war der Umbau bzw. die Erneuerung der seit 1893 vorhandenen, leider nicht erhaltenen Gleichstrom-Hauptverteilung. Dieser Umbau erfolgte vermutlich in 1898 mit der Anschaffung einer extern motorisch angetriebenen Dreschmaschine (s. Bild rechts bzw. oben, Quelle *1). Der Drehstrom-Motor unbekannter Ausführung (höchstwahrscheinlich kein Kurzschluss-, sondern ein Schleifringläufer-Motor wie der des DS-/GS-Umformersatzes, s. weiter unten) war in einem "Bollerwägelchen" untergebracht und trieb über einen sehr langen Flachriemen die am Rand einer Scheune stehende Maschine an.

Die bestehende Freileitung von der "Wilhelmsmühle" zum Rittergut musste also mindestens um ein Leiterseil für das Drehstromsystem ergänzt, ggf. auch neu aufgebaut werden. Da die Stator-Wicklung des Drehstrom-Klauenpol-Generators jedoch keinen herausgeführten Sternpunkt besitzt und somit keinen Neutralleiter "N" ermöglicht, ist evtl. noch ein Erdseil mitgeführt worden (s. Artikel "4. Der Drehstrom-Klauenpol-Generator der »Wilhelmsmühle« in Züschen"). Die auf einer Marmortafel aufgebaute Haupt-Schalttafel weist ebenfalls keinen Neutralleiter auf und die drei Drehstromabgänge der Verteilung waren mit völlig offenen dreipoligen Trennschaltern versehen (s. Artikel "6. Die Marmor-Schalttafeln des »Ritterguts Züschen«" und der »Wilhelmsmühle«"). Die Einschaltung des Dreschmotors erfolgte also wahrscheinlich über einen beim Dreschmotor untergebrachten Läuferstrom-Anlasser, ebenso wie am Umformer-Antriebsmotor. Nach diesen Erläuterungen der Situation um die vorvergangene Jahrhundertwende ist nachfolgend eine Erläuterung der Gründe für beide genannten Motorausführungen erforderlich.

Weiterlesen

Die Akkumulator-Anlagen des "Ritterguts Züschen"

Akkumulatoren für die Speicherung elektrischer Energie in lokalen Wasserkraftanlagen (WKA) wie in der 1893 errichteten "Wilhelmsmühle" an der nordhessischen "Elbe" kann sich kaum ein Leser dieses Artikels noch vorstellen. Mit sehr begrenzter Generatorleistung von 20, evtl. auch 25 kVA bzw. vermutlich 16 (20) kW – stets ausreichenden Wasserstand und dauernden Zufluss vorausgesetzt – versorgte sie das "Schloss Garvensburg" und das  "Rittergut Züschen". Dies sich vorzustellen gilt auch für den erheblich größeren Speicher im "Meßhaus" an der Stelle des heutigen Kasseler Rathauses für die 1891 erbaute WKA "Neue Mühle" an der Fulda. Erlebt hat diese frühen Anlagen sicherlich keiner, auch der Autor nicht. Denn Standard wurden anstelle völlig offener Blei-Akkumulatoren mit Aufladung bis zum "Kochen" (Begriff "Kochen", Quelle *1) der verdünnten Schwefelsäure  später andere Ladecharakteristiken in dann gut be- und entlüfteten Batterieräumen, die ein Betreten ohne einen heftigen Hustenreiz ermöglichten (s. Bild links bzw. oben).

Nach dieser sehr kurzen Einleitung mit der Abbildung unseres symbolischen Exponats nun wenige Sätze zu diesem Internetartikel "Die Akkumulator-Anlagen des »Ritterguts Züschen«": Grundsätzlich kann der umgangssprachlich "Bleibatterie" genannte Akkumulator, kurz Akku, als bekannt vorausgesetzt werden, denn in unseren Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird er nach wie vor als Starterbatterie für den Anlasser wie auch zur Versorgung aller anderen Verbraucher bei nicht laufendem Motor genutzt. Selbst in den E-Fahrzeugen mit Lithium-"Hochvoltbatterien" wird er weiterhin für die Versorgung von Steuer- und Sicherheitsgeräten, Beleuchtungen und Kommunikationsgeräten usw. verbaut. Nun, ist der von der Fahrzeugindustrie verwendete Ausdruck "Hochvoltbatterie" ein normgerechter Ausdruck? 400 – 1.000 V für eine Traktionsbatterie sind nach VDE-Definition noch keine Hochspannung, sondern nur höher als die 12 V im Pkw und 24 V im Lkw. Der 12-/24-V-Akku wird von der Traktionsbatterie bei Bedarf über Umrichter nachgeladen, nur als Starterbatterie hat er dort mangels Starter ausgedient. Nach wie vor gibt es aber den Blei-Akkumulator für USV-Anlagen (Unabhängige Strom-Versorgung) für Rechenzentren, Krankenhäuser, Gas-Verdichterstationen usw. usw. bis zur Lastübernahme durch ein mit Dieselmotor betriebenes Netzersatzaggregat. Er wird auch – sicherlich zunehmend abgelöst – als schwere Traktionsbatterie in der innerbetrieblichen Logistik eingesetzt. Über den 12-/24-V-Akku in Fahrzeugen hinaus ist er dem weit überwiegenden Teil der Bevölkerung unbekannt, denn seine damaligen Aufgaben in der öffentlichen Energieversorgung wurden durch unsere landes-/europaweit vermaschte Stromversorgung seit über einem Jahrhundert weitestgehend verdrängt. Es gibt daher aus geschichtlicher Sicht so viel Wissenswertes über ihn zu berichten, dass dies den Rahmen eines TMK-Internetartikels weit überschreiten würde. Daher wird der Artikel hier deutlich gekürzt, im Langformat evtl. ausgedruckt am Exponat angebracht und sicher über QR-Code zur Verfügung gestellt.

Nach der Einleitung und Erläuterung des Umfangs nun ein Blick zurück auf die beginnende Elektrifizierung. Vorwiegend Beleuchtungsanlagen und stetig zunehmend auch Kraftanlagen mit Gleichstrom-Dynamos wie geschildert gab es zwar bis in die 40-er Jahre des vergangenen Jahrhunderts, sie wurden jedoch durch die Drehstromtechnik ab 1900 zunehmend abgelöst. Daher wurden in weiter bestehenden Gleichstromnetzen immer weniger Akku-Anlagen zur Speicherung für die Nacht oder – wegen Regenwetters und dichtem Nebel – geringer Tageshelligkeit genutzt und durch rotierende Drehstrom-Gleichstrom-Umformer, später auch solche mit Quecksilberdampf-Gleichrichtern ersetzt, denn Drehstrom stand jetzt aus Wärmekraftwerken wie in Kassel mit dem KW Lossewiesen ab 1911 ganzjährig zur Verfügung. Auf die im Inneren eines Akkumulators ablaufenden elektrochemischen Prozesse gehen wir unter Abschnitt 7 im Artikel "Berechnungen und Informationen zu ...." ausführlicher ein. Die dort erläuterte Freisetzung negativ geladener Elektronen am Minuspol des Akkus und Aufnahme am Pluspol ist rechts bzw. unten dargestellt. Dennoch wenige Sätze hierzu (Grafik und Zitat, Quelle*2):

"Ein Bleiakkumulator besteht aus einem säurefesten Gehäuse und zwei Bleiplatten oder Plattengruppen, von denen die eine als positiv und die andere als negativ gepolte Elektrode dienen, sowie eine Füllung von 37-prozentiger (Massenanteil) Schwefelsäure (H₂SO₄) als Elektrolyt. Bei der handelsüblichen Ausführung sind die Elektrodenplatten dicht ineinander geschachtelt, dazwischen befinden sich Separatoren zum Beispiel aus perforiertem, gewelltem Polyvinylchlorid (PVC), die eine direkte gegenseitige Berührung (Kurzschluss) verhindern. Die Anschlüsse und Verbindungslaschen bestehen unter anderem bei Starterbatterien aus metallischem Blei. Im entladenen Zustand lagert sich an beiden Elektrodengruppen eine Schicht aus Bleisulfat (PbSO₄) ab. Im aufgeladenen Zustand haben die positiven Elektroden eine Schicht aus Blei(IV)-oxid (PbO₂), die negativ gepolten Elektroden bestehen aus mehr oder weniger porösem Blei".

Gemeint war oben in obigem ersten Absatz neben dem Bild kein wirkliches und dann auch gefährliches "Kochen", sondern die "Überladung" mit einer Maximal-Ladespannung von 2,75 V je Zelle, welche neben der Verdampfung von schwefliger Säure mit ätzendem Geruch zur Abscheidung von Wasserstoff führt und die Bildung von Knallgas begünstigt. Dies ist schon seit vielen Jahrzehnten nicht mehr üblich, man beschränkt sich auf 2,35 bis maximal 2,45 V/Zelle. Daher stellt in dem Lexikonartikel von Otto Lueger (Quelle *1) die für den Gleichstrom-Generator angeführte Spannung von 2,1 V/Zelle auch nur einen Mittelwert der Spannung zwischen "Aufgeladen" und "Entladen" dar. Im Lexikonartikel zu den seinerzeitigen Akkus gibt Otto Lueger nicht nur genauere Werte für Ladung und Entladung an, sondern beschreibt auch anhand von Diagrammen den Verlauf. Zur Erläuterung muss daher das damals übliche, völlig ungeregelte Ladeverfahren mit einem späteren, ebenfalls ungeregelten, aber schon selbsttätig abschaltenden und noch späteren, in Ladeabschnitte gegliederten, geregelten und ebenfalls abschaltenden Verfahren ganz kurz erläutert werden. Hiermit hatte der Autor in zahlreichen Anlagen umfangreichen beruflichen Umgang:

Weiterlesen

Berechnungen und Informationen zu Turbinen, Generatoren, Schalttafeln und Akku-Anlagen

In den Artikeln "2. Die Francis-Turbine der »Wilhelmsmühle« in Züschen" und "4. Der Drehstrom-Klauenpol-Generator der »Wilhelmsmühle« in Züschen" dieser Internetseiten zur elektrischen Energieerzeugung an der nordhessischen Elbe werden Berechnungen erwähnt, die zum besseren Verständnis in den folgenden Abschnitten 1 – 5 erläutert werden. Im Artikel "6. Die Haupt-Schalttafel des »Ritterguts Züschen« für den Strom aus der Wilhelmsmühle«" werden Begriffe aus der Messtechnik verwendet, die erklärungsbedürftig im Abschnitt 6 vorgestellt werden. Und zum Abschluss werden in den Abschnitten 7 und 8 Details zur  Energie-Speicherung und -Nutzung der Blei-Akkumulatoren sowie zu den chemischen Vorgängen bei der Ladung und Entladung der Blei-Akkumulatoren vorgestellt.
       

1. Berechnung der Turbinenleistung

Die mindestens drei aufeinander folgenden Turbinen der "Wilhelmsmühle" trieben ab 1893 zunächst einen zeitgemäßen Gleichstrom-Dynamo und ab ca. 1898 die auf der IEA 1891 in Frankfurt vorgestellte Drehstromtechnik mit einem Generator über Flachriemen und ein Vorgelege an, zwischen 1893 – 1907 zusätzlich über ein Kegelradgetriebe. Damit konnte in einem gewissen Bereich die Anpassung der Turbinendrehzahl an die erforderliche Dynamo- bzw. Generator-Drehzahl erfolgen, gleich ob es um leistungs- oder frequenzoptimale Drehzahlen ging. Bei größeren bis großen Leistungen ist der Direktantrieb Mittel der Wahl, erstens weil hohe Leistungen bzw. Drehmomente nicht mehr über Flachriemen oder auch Keilriemen übertragen werden können, zweitens um zwangsläufig entstehenden lastabhängigen Schlupf auszuschalten.

Die Leistung einer Wasserturbine wird nach der Formel P_T  = η_T *  ρ_H2O *  g *  h *  V  berechnet. Hierin bedeuten

• η_T  den Turbinenwirkungsgrad ohne Berücksichtigung der Rohr-Reibungsverluste, welcher bei fehlender Angabe wie bei der Francis-Turbine mit 0,9 angesetzt werden kann,
• ρ_H2O  (sprich: rho H₂O) die Dichte des Wassers mit üblicherweise 1 = 1.000 kg/m³,
• g  die Erdbeschleunigung mit 9,81 m/s²,
• h  die wirksame Wasserfallhöhe in m mit Berücksichtigung der Rohrreibung,
• V  das Schluckvermögen (der Wasserdurchfluss) in m³/s.

Für die Francis-Turbine ist in der Zeichnung zum Umbau in 1907 der minimale Oberwasserspiegel, also der Stand des Wassers vor dem Einlauf in die Turbine, mit 203,037 m ü.N.N. (über Normal-Null = durchschn. Meereshöhe) angegeben, der Unterwasserspiegel mit 197,967 m ü.N.N. Hieraus resultiert eine minimale Fallhöhe von 5,07 m, von der hier geschätzt 0,27 m abgezogen werden und eine wirksame Fallhöhe von 4,80 m ergeben. In den Antrags- und Genehmigungsunterlagen ist die maximale Entnahme- und Wiederzuleitungsmenge mit 565 Litern je Sekunde, also 0,565 m³/s angegeben. Dies führt unter Weglassung der jeweiligen Dimensionen zur Leistungsberechnung mit

       P_T  = 0,9 *  1  *  9,81 *  4,80 * 0,565 =  23,9 kW  (ehemals ca. 33 PS)   

In der Zeichnung zum Umbau in 1907 sind die Fallhöhe mit 5,70 m, der Wasserdurchfluss mit 560 l/s und die Leistung mit 35,3 PS entspr. knapp 26 kW angegeben. Da sich an der Physik außer Bezeichnungen und Dimensionen nichts geändert hat und heutige Turbinen sicherlich eine höhere Effizienz haben bleibt für die Differenz zu unserer Rechnung, dass mit der Angabe 5700 mm die Fallhöhe bis zum höchsten Oberwasserspiegel von 203,667 m ü.N.N. angesetzt wurde. Dies kann aber nur gelten, wenn der Zufluss in den Stauweiher auch 560 l/s beträgt, der OW-Spiegel also auf gleicher Höhe verbleibt.

Weiterlesen