Die naturbedingten geografischen und topografischen Verhältnisse bedingen sehr unterschiedliche Möglichkeiten, die Wasserkraft zu nutzen. So sind im Laufe der Jahre mehrere verschiedene Turbinenarten entwickelt und verbessert worden, um das Potential der Wasserkraft bestmöglich auszuschöpfen.
Im Hochgebirge gibt es z.B. große Fallhöhen (bis zu h=2000m) und kleine Wassermengen, an den Talsperren im Mittelgebirge mittlere Fallhöhen (ca. h=100m) und mittlere Wassermengen und bei den Mittelgebirgsflüssen große Wassermengen bei einer geringen Fallhöhe (ca. h=10m).
Aus diesem Grund gibt es drei Haupt-Turbinen-Typen, die abhängig von Fallhöhe und Wassermenge das Optimum aus der Wasserenergie "herausholen"

die Kaplanturbine,

die Francisturbine,

die Pelton- oder Freistrahl-Turbine.

Auf spezielle Sonder- und Misch-Formen verzichten wir aus Gründen der Bescheidenheit, stellen aber am Ende des Kapitels nur noch kurz ein mehr oder weniger historisches Wasserrad aus unserer Umgebung vor.

Die Kaplanturbine

wurde 1913 vom österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan entwickelt. Sie kommt meistens an Flüssen mit geringerer Fallhöhe und hohen Wassermassen zum Einsatz. Fallhöhen von über 65m übersteigen das Potenzial der Kaplan-Turbine.
Die Kaplan-Turbine ähnelt stark einer Schiffsschraube und hat die Fähigkeit, die einzelnen Schaufeln mit Hilfe eines Servomotors zu verstellen, um sich so den aktuellen Wasser- und Gefällebedingungen besser anzupassen. So kann man die Drehzahl der Turbine erhöhen und die Stromerzeugung optimieren. Die Anzahl der verwendeten Schaufeln bei einer Kaplan-Turbine liegt zwischen drei bis sechs. Um die Wassermassen so zu beeinflussen, dass sie parallel zur Turbinenwelle auf die Schaufeln des Laufrades treffen, besitzt die Kaplan-Turbine einen Leitapparat, der aus vielen Lamellen besteht. Auch diese kann man den Schwankungen der Wasserführung und des Gefälles anpassen.
Kaplanturbinen werden größtenteils vertikal eingebaut, da so gewährleistet wird, dass das Wasser von oben nach unten strömt. So erhöht sich wiederum die Drehzahl der Turbine. SO können sie einen Wirkungsgrad bis zu 95% aufweisen.
Durch sie werden Leistungen bis zu 125 MW erzielt.

Die Francisturbine

wurde 1849 von dem amerikanischen Ingenieur James B. Francis entwickelt und ist die am weitesten verbreitete Turbine der Welt, da mit ihr sehr unterschiedliche Fallhöhen genutzt werden können. Bei ihr wird das Wasser durch ein feststehendes ,,Leitrad’’ mit verstellbaren Schaufeln auf das Laufrad mit gegenläufig gekrümmten Schaufeln gelenkt. Diese Art von Turbine ist eine Überdruckturbine, da das Wasser mit höherem Druck in die Turbine herein- als herausfließt.
Die Francisturbine wird größtenteils in Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt, tritt aber auch in Laufwasserkraftwerken auf.
Auch große Fallhöhen bis zu 700m gehören mit zum Einsatzgebiet der Francis-Turbine.
Sie erzeugt Leistungen von bis zu 750 MW bei einem Wirkungsgrad von ca. 90 %.

Beispiel I Koepchenwerk

Vor dem im vorangehenden Kapitel angesprochen Koepchenwerk steht ein altes Laufrad einer Francisturbine: Dieses 4180kg schwere "Schaufel-Rad" lief in dem ursprünglichen Werk 46 Jahre (!) lang bis zum großen Umbau oder besser Neubau der gesamten Anlage.

So wie die Turbine jetzt steht, würde das Wasser also aus allen Richtungen seitwärts von außen hinein und durch die sichtbaren Schaufeln aus dem Bild heraus laufen.

Beispiel II Firma A. Thun, Peddenöde, Ennepetal

Auf dem Weg zur Ennepetalsperre steht vor dem Betriebsgelände der Firma A. Thun ebenfalls eine alte Francistubine mit einem erläuternden Schild.
An diesem "Museumsstück" erkennt man gut die drehbaren, aber feststeheden Leitschaufeln, die das Wasser auf das im Inneren befindliche drehbare Laufrad lenken.

Die Peltonturbine, auch Freistrahlturbine genannt,

wurde im Jahre 1889 von einem Amerikaner namens Lester A. Pelton erfunden. Sie ist die eine Freistrahlturbine, d.h. die Lageenergie des Wassers wird schon in der Leitvorrichtung in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt. Bei ihr trifft das Wasser durch ein Düsen ähnliches Gehäuse in einem freien Strahl tangential auf das mit bis zu 40 Schaufeln versehende Laufrad.
Man vergleicht die Peltonturbine oft mit einem klassischen "unterschlächtigen" Wasserrad.

Da von Peltonturbinen Fallhöhen zwischen 1000m und 2000m problemlos genutzt werden können, setzt man sie oft in Hochgebirgswasserkraftwerken ein.
Bei einer Fallhöhe von z.B. 1000 m trifft das Wasser mit etwa 500 km/h auf das Laufrad.
Das ist auch der Grund, warum diese Art von Turbine Leistungen bis 750 MW und Wirkungsgrade bis 90% erzielt.

Das neue alte Wasserrad im Hülsenbecker Tal

Der Verein "Umweltfreundliche Energien EN" hat sich zum Ziel gesetzt, regenerative Energien stärker ins Bewusstsein zu rücken und hat zu diesem Zweck u.a. im Jahre 2003 dieses historische "oberschlächtige Wasserrad" nachgebaut.
Die im angetriebenen Generator (Bildmitte) gewonnene Energie wird in das öffentliche Netz eingespeist.
Im Jahresmittel deckt der durchschnittliche Ertrag ungefähr den Bedarf von zwei Familien.