Wasserkraftmaschinen

1866 lieferten die Oberharzer Gräben und Teiche das Ausschlagwasser zum Betrieb von 193 Wasserrädern und drei Wassersäulenmaschinen.

Die Wasserräder wurden als Kehrräder zur Förderung in den Schachten, als Kunsträder zum Antrieb der Fahrkünste und Pumpen, als auch als Antriebsräder für die Aufbereitung der Metalle in den Pochwerken, Erzwäschen und Stoßherden eingesetzt. Die Nebenbetriebe des Bergbaus verwendeten die Wasserkraft als Antrieb für die Mahl- u. Sägemühlen und die Schmieden. So fanden sich hier neben Hammer- und Schleifrädern auch Mahlräder.

Turbinen wuerden später zum Kompressorbetrieb ebenso wie Hydrokompresser zur Erzeugung der Druckluft zur Verwendung in den Bergwerkanlagen eingesetzt.

Die Wassersäulenmaschinen dienten als Antrieb für Fahrkünste, Pumpen und späterhin auch von Fördermaschinen.

Das Kehrrad im Besucherbergwerk "19 Lachter Stollen" diente zu Betriebszeiten zur Erzförderung im Blindschacht Ernst-August. Seitlich auf der Welle sind die Seiltrommeln zur Aufnahme der Förderseile angebracht. Durch die wechselseitige Drehung des Rades wurde die Tonne im Schacht nach oben oder unten bewegt.

Im Besucherbergwerk Grube Samson in St. Andreasberg ist neben einem originalen Kehr- auch ein Kunstrad zu besichtigen. Das Kunstrad im Eyecatcher der Seite steht bei der Grube Glasebach in Straßberg (Unterharzer Wasserwirtschaft).

Die Seiltrommel diente zur Aufnahme der Drahtseile der beiden Fördertonnen im Ernst-August Blindschacht in Wildemann.

Eine Seiltrommel mit aufgelegten Seil. Die Aufnahme entstand ca. 1910 in einer der Oberharzer Gruben.

Quelle: Oberharzer Bergwerksmuseum; Glasnegativplatten Zirkler: https://vzg-easydb.gbv.de Stand 28.12.2020.

Video des Modells eines Kunstrades der Grube Glasebach bei Straßberg (Unterharzer Wasserwirtschaft) zum Antrieb der Pumpensätze in dem tonnlägigen (schrägen) Schacht der Grube Glasebach.

Interessant ist die Umsetzung der Antriebskraft des horizontalen des Kunstgestänges über die "Straßberger Schwingenkunst" in den tonnlägigen Schacht zum Betrieb der Pumpen. Es waren immer mehrere Harzer Pumpensätze übereinander angeordnet. Die untere Pumpe hob das Wasser in den Pumpensumpf der nächst höhergelegenen Pumpe. Ein Nachbau des Kunstrades sowie die Reste der Schwingenkunst sind im Besucherbergwerk Glasebach in Straßberg zu sehen.

Wasserrad und Pumpensätze in einem Bergwerk um 1556.

Quelle: Georg Agricola (1556) De Re Metallica Libri XII = Zwölf Bücher vom Berg- und Hüttenwesen, Berlin.

Über die "Kunstkreuze"erfolgte die Kraftübertragung auf die Pumpen und auch Fahrkünste zum Einfahren der Bergarbeiter in die bis zu 600m tiefen Grubenbaue.

"Die Fahrkünste, 1833 vom Oberbergmeister Dörell erfunden und im SpiegeltalsHoffnunger Richtschacht zuerst angewandt, bestehen im wesentlichen aus den beiden von Tage her bis unten in die Tiefe des Schachte geführten, in 3,0 m Entfernung *) mit hölzernen Fusstritten und eisernen Handgriffen versehenen hölzernen Gestängen.

Letztere hängen in 0,43 Meter Entfernung von Mitte zu Mitte, neben einander an Kunstkreuzen, welche von einem oberschlächtigen Wasserrade aus, mittelst Kurbel und Feldgestängen derart hin und herbewegt werden, dass das eine Fahr-Gestänge steigt, wenn das andere um ebensoviel sich abwärts bewegt und umgekehrt.

In dem Augenblicke, wo die Bewegungsrichtungen wechseln, stehen die Tritte sowohl, als auch die Handgriffe der beiden Gestänge, In derselben Höhe, dicht neben einander.

Benutzt man diese kurze Ruhepause dazu, an dem soeben emporgestiegenen Gestänge den Griff zu ergreifen und den Fusstritt zu betreten, so wird man mit diesem Gestänge bald um dessen Hubhöhe, 1,5 m, abwärts geführt. Fährt man so fort während des Wechsels, deren je 5 bis 7 in jeder Minute erfolgen, jedesmal auf das Nachbargestänge überzutreten, so wird man fast mühelos in die Tiefe befordert.

Betritt man während der Hubpause umgekehrt jedesmal das soeben abwärts bewegte Gestänge, so wird man aufwarts befördert."

Hoppe, O., von Groddeck, A., 1883. Die Bergwerke, Aufbereitungs-Anstalten und Hütten sowie die technisch-wissenschaftlichen Anstalten, Wohlfahrts-Einrichtungen pp. im Ober- und Unter-Harz, von Oscar Hoppe. Dazu mehrere Tafeln. Nebst einem Anhang für geognostische Excursionen, verfasst von Dr. v. Groddeck. Grosse, Clausthal. Seite 217.

Quellen:

linkes Bild: Oberharzer Bergwerksmuseum; Glasnegativplatten Zirkler: https://vzg-easydb.gbv.de Stand 28.12.2020.

rechtes Bild: Fahrkunst Spiegeltaler Hoffnungschacht; Leo Wilhelm(1861) Lehrbuch der Bergbaukunde; Quedlinburg, S. 304.

Fahrkunst in einem tonnlägigem Schacht ca. 1890, Grube Ring und Silberschnur, Clausthal-Zellerfeld.

Quelle: Oberharzer Bergwerksmuseum; Glasnegativplatten Zirkler: https://vzg-easydb.gbv.de Stand 28.12.2020.

"Die Wassersäulenmaschine war, genau betrachtet, die erste wirkliche Innovation bei der großtechnischen Energieerzeugung seit der Antike...

Weil die Bedeutung und Arbeitsweise der Wassersäulenmaschine heute kaum noch bekannt ist, soll diese etwas ausführlicher vorgestellt werden.

Bei Wassersäulenmaschinen wird ein Kolben durch Wasserdruck in einem Zylinder bewegt und so mechanische Energie erzeugt.

Während bei Wasserrädern die nutzbare potentielle Energie dem Raddurchmesser entsprach, konnte man mit der neuen Maschine den Höhenunterschied zwischen Wassergraben und Lösungsstollen in einer Stufe nutzen. Wassersäulenmaschinen waren Langsamläufer mit 4 bis 12 Takten pro Minute und mehreren hundert Litern Hubraum. Durch den gegenüber Kunsträdern geringeren Platzbedarf und die günstige Zahl der Takte eigneten sie sich besonders zum Antrieb von Pumpen."

Döring. M. (2011)Wasserräder, Wassersäulenmaschinen und Turbinen – Oberharzer Wasserwirtschaft wurde Weltkulturerbe. 34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011: Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen. Seite 142

Zeichnung: Döring. M. (2011)Wasserräder, Wassersäulenmaschinen und Turbinen – Oberharzer Wasserwirtschaft wurde Weltkulturerbe. 34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011: Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen. Seite 142

Zeichnung der zwischen 1888-1890 im Schacht Kaiser Wilhelm II in Clausthal in 360m Tiefe eingebauten Wassersäulenmaschinen.

Neben der großen Fahrkunstwassersäulenmaschine sind in dem Raum eine kleine Wassersäulenmaschine zum Antrieb eines Gleichstromdynamos sowie einer Druckluftanlage installiert.

Zeichnung: Lengemann, Meinicke (1895): Der Schacht "Kaiser Wilhelm II." bei Clausthal. Berlin. https://publikationsserver.tu-braunschweig.de/receive/dbbs_mods_00059549 Stand 30.12.2020

"Bei den Wassersäulen-Maschinen-Künsten werden die Kolben der Kunstsätze (Wältigungspumpen) durch Wassersäulen-Maschinen, die äusserlich den gewöhnlichen Dampfmaschinen nicht unähnlich sind bewegt. Nur dass bei Jenen eine Wassersäule von oft sehr beträchtlicher Höhe durch ihr Gewicht den Treibkolben in dem Treibcylinder fortdrückt, wogegen bei den Dampfmaschinen der Anprall der durch die Wärme beschleunigten kleinsten Wasserdampftheilchen es ist, dem der Dampfkolben nachgeben muss. Dort wird das Fallbestreben des durch seine Höhenlage ausgezeichneten, unter günstigen Verhältnissen verfügbaren, Wassers (Aufschlagwasser), hier die Bewegung der durch Wärmewirkung zerstäubten Molekeln des Wassers dazu verwendet, Wasser aus der Tiefe der Erde zu heben. Wie bei den Dampfmaschinen, so ist auch bei den Wassersäulenmaschinen auf eine zweckmässige Steuerung, d. ist eine Vorrichtung durch welche zur rechten Zeit das Trieb-(Kraft-) Wasser in den Cylinder geführt und aus demselben ab-geleitet wird, Bedacht zu nehmen und noch be· sonders zu berücksichtigen, dass das Wasser im Gegensatz zum Dampfe, fast ganz unzusammendrückbar ist.

Die Wassersäulenmaschine ist im Jahre 1748 von Winterschmidt im Harze erfunden und hier zuerst eingeführt. Fast gleichzeitig baute auch Höll für Ungarische Bergwerke solche Maschinen, wird deshalb von Einigen auch als Erfinder genannt. Verfasser wird in einem besonderen Werkchen diese Prioritätsfrage nach amtlichen Acten beantworten.

Vielleicht steht unserer Maschine noch eine glanzende Zukunft bevor, wenn einmal über kurz oder lang, nach Erschöpfung der Brennstoffe der Erde, die Dampfmaschine emeritirt sein sollte und man dann doch wieder auf die gewaltigste Kraftquellen der Erde, das Wasser, zuruckzugreifen sich genöthigt sehen wird."

Hoppe, O., von Groddeck, A., 1883. Die Bergwerke, Aufbereitungs-Anstalten und Hütten sowie die technisch-wissenschaftlichen Anstalten, Wohlfahrts-Einrichtungen pp. im Ober- und Unter-Harz, von Oscar Hoppe. Dazu mehrere Tafeln. Nebst einem Anhang für geognostische Excursionen, verfasst von Dr. v. Groddeck. Grosse, Clausthal. Seite 230-231.

Blick in den Wassersäulenmaschienenraum am Kaiser Wilhelmschacht II Schacht in 360m Tiefe 1890. Zu sehen sind die Ventilsteuerungen der Fahrkunstwassersäulenmaschine (Teile H1+H2 auf der Zeichnung)

Quelle Bild: Oberharzer Bergwerksmuseum; Glasnegativplatten Zirkler: https://vzg-easydb.gbv.de Stand 28.12.2020.

Eine Reichenbachsche Wassersäulenmaschine in der Grube Treue um 1910. Im Gegensatz zu der im Wilhelmschacht aufgestellten Maschine mit liegenden Plungern (Treibzylindern) hat diese Maschine einen stehenden Treibzylinder.

Quelle Bild: Oberharzer Bergwerksmuseum; Glasnegativplatten Zirkler: https://vzg-easydb.gbv.de Stand 28.12.2020.

1877 wurden im Schacht Königin Marie zwei Zwillingswassersäulenmaschinen auf dem Niveau der Tiefsten Wasserstrecke in 620m Tiefe eingebaut. Diese beiden Maschinen wurden für die Schachtsümpfung eingesetzt.

Die Zeichnung zeigt die Einbausituation der Maschinen im Schacht.

"Die beiden großen, symetrischen Wassersäulen-Maschinendes Marienschachtes, 1876 und 77 eingebaut, sind liegende Kurbel-Zwillingsmaschinen mit Kolbensteuerung. ...Ein Pumpengestänge ist nicht vorhanden, da die Maschinen nur wenige Meter über dem Saugwasserspiegel (Tiefste Wasserstrecke) verlagert sind. ... Last- und Kraftwasser werden bis zum Niveau des Ernst August-Stollen gehoben. Nutzgefälle = 368m; Wältigungshöhe = 229m; Wasserdruck in den Maschinen entsprechend 597m Wassersäule; ... Beide Maschinen, die abwechselnd arbeiten, sind völlig unabhängig von einander, auch hinsichtlich der Rohrleitung." (Köckert)

Quelle Köckert: Bannitza,H; Klockmann, F; Lengemann, A; Sympher, A1895) Das Berg und Hüttenwesen des Oberharzes: Stuttgart; Seite 195.

Quelle Zeichnung: Atlas zur Zeitschrift für das Berg- Hütten u. Salinenwesen im Preussischen Staate (1878) Band XXVI: Tafel VII; Die Wassersäulenmaschine im Königin Marien Schacht in Clausthal;

Modell einer im Königin Marienschacht verbauten Maschine. Das Originalmodell steht im Oberharzer Bergwerksmuseum in Clausthal-Zellerfeld.

Quelle Bilder: Oberharzer Bergwerksmuseum Clausthal-Zellerfeld https://kulturerbe.niedersachsen.de/objekt/record_kuniweb_23865/1/

Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de

Die Austragsröhren der Wassersäulenmaschine in Königin Marien Schacht in Clausthal Zellerfeld auf Höhe des Ernst-August Stollens, 388m unter der Hängebank des Königin Marien Schachtes. Die Maschine für diese Pumpe befand sich 230 m tiefer im Niveau der Tiefsten Wasserstrecke, einer zentralen Sumpf u. Förderstrecke für das Burgstätter Revier.

"Die Austragröhren stehen von der u. Strecke ab in einem besonderen Nebenschachte bis zum Ernst-August-Stollen und giessen hier...388m unter der Hangebank des Königin-Marien-Schachtes aus."

Hoppe, O., von Groddeck, A., 1883. Die Bergwerke, Aufbereitungs-Anstalten und Hütten sowie die technisch-wissenschaftlichen Anstalten, Wohlfahrts-Einrichtungen pp. im Ober- und Unter-Harz, von Oscar Hoppe. Dazu mehrere Tafeln. Nebst einem Anhang für geognostische Excursionen, verfasst von Dr. v. Groddeck. Grosse, Clausthal. Seite 245.

Zur Erzeugung der im Oberharzer Bergbau benötigten Druckluft wurden neben auch Hydrokompressoren verwendet. Das im Fallrohr nach unten strömende Wasser wurde am höchsten Punkt der Anlage mittels eines Schnorchels mit Luft vermischt. Dieses Luft-Wasser-Gemischt wurde im Fallrohr nach unten gerissen. Durch das ständig nachströmende Wasser konnte die beigemengte Luft nicht nach oben aussteigen. Die Luft-Wassertrennung erfolgte in Druckluftbehältern tiefsten Punkt der Anlage. Das Antriebswasser wurde durch ein Rohr wieder 60m in die Höhe geführt. Dadurch entstand im Druckluftbehälter ca. 5 Bar Druckluft.

Die Zeichnung zeigt den ehemaligen Hydrokompressor am 4. Lichlocht des Tiefen Geord Stollens bei Bad Grund.

Quelle Schläper, H.( 2012): Hydrokompressoren im Harzer Bergbau; Naumburg, Seite 56.

Der Hydrokompressorturm am Bergbaumuseum Knesebeckschacht in Bad Grund. Oben auf dem Turm ist der Schnorchel.

Der Luftabscheider der Anlage ist heute nicht mehr zugänglich.

Die Hydrokompressoranlage im Schacht Alter Segen. Die Anlage wurde vollständig unterirdisch erstellt. Das Zulaufwasser kam vom Tiefen Georg Stollen und fiel durch das Druckrohr im Schacht Alter Segen. Der Luftabscheider war 50m unter der Ernst August Stollen Sohle (Tiefe Wasserstrecke) eingebaut. Das Abfallwasser ging über den Ernst August Stollen nach Gittelde.

Quelle Zeichnung: Schläper, H.(2012): Hydrokompressoren im Harzer Bergbau; Naumburg, Seite 56

Das Austragsrohr (dickes Rohr) des Hydrokompressors am Alten Segen ca. 2000.

Der Schnorchel sowie der Zulauf am Tiefen Georg Stollen sind ebenfalls erhalten geblieben. Der Luftabscheider ist nach Beendigung des Bergbaus in Clausthal- Zellerfeld, als die Pumpen abgestellt wurden, mit abgesoffen. Die dünneren Rohre auf dem Bild sind die Druckrohre zum Transport der Druckluft in die jeweiligen Abbaue.

"Die Luftleitungen in den Schächten und Strecken bestehen aus schmiedeeisernen Röhren mit aufgeschweißten Ringen und Flanschen. Die Ringe sind mit Nut und Feder abgedreht; die Dichtung erfolgt durch Gummieinlagen. Die Zuleitung der Luft nach den Stößen erfolgt von den oberen Strecken aus durch die Absinken hindurch mit einzölligen Gasröhren. Zwischen das letzte Gasrohr und die Bohrmaschine werden Gummischläuche von meistens 4mm Wandstärke und 15m Länge eingeschaltet." (Baselt)

Quelle Baselt: Bannitza, H.; Klockmann, F., Lengemann, A.; Sympher, A.: (1895): Das Berg und Hüttenwesen des Oberharzes: Stuttgart, Seite 139.

Ebenfalls am Schacht alter Segen befindet sich ein Raum in dem eine Girard`sche Druckturbine mit horinzontaler Achse zum Betrieb eines Luftkompressors stand.

"Die durch Riementransmission verbundenen Luftkompressionsmaschinen sind trockene Schieberkompressoren mit Ausgleich schädlicher Räume in der Art des Systems Burkhardt & Weiss." (Köckert)

An der Rückwand des Raumes sind die Rohranschlüsse für den Druckluftraum zu sehen.

"Die Luftreservoire, welche in festem Gestein ausgeschossen sind, sind mit schwachen Gewölben aus Ziegelsteinen ausgebaut und haben auf der Innenseite einen Zementbewurf. Zur Verstopfung der Poren in dem Mauerwerk wird die Innenseite wiederholt mit Zementmilch angestrichen: zwischen den einzelnen Anstrichen wird der Raum unter Druck gesetzt, wodurch die Zementmilch in die Poren gedrückt wird. Die Reservoire sind durch starke Kugeldämme aus Ziegelsteinen mit Zementmörtel abgeschlossen" (Ehring)

"Die Luftsammler sind stets unterirdisch in festem Gestein hergestellt und fassen meist 30cbm. Die Luftpressung beträgt 5 Atmosphären." Klöckert²)

Quelle Ehring: Bannitza, H.; Klockmann, F., Lengemann, A.; Sympher, A.: (1895): Das Berg und Hüttenwesen des Oberharzes: Stuttgart, Seite 159.

Quelle Klöckert: Bannitza, H.; Klockmann, F., Lengemann, A.; Sympher, A.: (1895): Das Berg und Hüttenwesen des Oberharzes: Stuttgart, Seite 193.

Klöckert²: Ehring: Bannitza, H.; Klockmann, F., Lengemann, A.; Sympher, A.: (1895): Das Berg und Hüttenwesen des Oberharzes: Stuttgart, Seite 199.

Um 1890 wurden die ersten Turbinen zur Erzeugung von elektrischer Energie in den Maschinenräumen eingebaut. Anfangs dienten sie nur dazu den Strom für die elektrische Beleuchtung zu erzeugen. (Fahrkunstwassersäulen- und Blindschachtfördermaschinenraum obere u. untere 4. Sohle am Kaiser Wilhelm II Schacht)

Späterhin wurden die Turbinen größer. Das Bild zeigt die Installation der ersten großen Turbinen im Fahrkunstwassersäulenmaschinenraum des Kaiser Wilhelm II Schachtes nach dem Ausbau der Wassersäulenmaschine.

Quelle Bild: Oberharzer Bergwerksmuseum; Glasnegativplatten Zirkler: https://vzg-easydb.gbv.de Stand 28.12.2020.

Am 30.03.1980 wurden Turbinen im Fahrkunstwassersäulenmaschinenraum des Kaiser Wilhelm Schachtes und des Ottiliae-Schachtes abgeschaltet. Damit endete die aktive Nutzung der meisten Gräben und Teiche der Oberharzer Wasserwirtschaft.

Eine Nachnutzung der Anlagen erfolgt heute durch die Harzwasserwerke zum Zweck der Trinkwassergewinnung und zu Denkmalzwecken.