Schneemaschine

Schneeerzeuger in Aktion

Nahaufnahme von Schneekanonen

Verschiedene mobile Schneeerzeuger

Nahaufnahme einer mobilen Schneekanone

Rückansicht mit Blick auf das Gebläse

Als Beschneiungsanlage bezeichnet man alle Komponenten einer technischen Beschneiungseinrichtung zur maschinellen Erzeugung von Schnee. Eine solche Anlage umfasst sämtliche Einrichtungen wie: Wasserspeicher, Pumpen, Kompressoren, Wasser-/Luft-/Stromzuleitungen, Schneeerzeuger.

Der Begriff Schneeerzeuger wird im technischen Sprachgebrauch oft für eine Schneekanone verwendet obwohl auch eine Schneilanze (oder Schneelanze) gleichwertig unter diesem Begriff einzuordnen ist. Schneilanze und Schneekanone werden verwendet um das zugelieferte Wasser mittels eines Luftstroms über der Piste in der kalten Umgebungsluft auszubringen.

Beschneiungsanlagen werden in Wintersport-Gebieten eingesetzt, wenn durch zu geringen Schneefall (wenig Niederschlag bei kalten Temperaturen) bzw. durch Tauwetter die Schneedecke nicht zur Ausübung der diversen Aktivitäten wie Skifahren, Snowboarden etc. ausreicht. Dies kann besonders bei Talabfahrten der Fall sein.

Eigenschaften von technisch erzeugtem Schnee

Die Eigenschaften von Schnee hängen maßgeblich von der Form der Schneekristalle, der Temperatur sowie vom Flüssigwassergehalt ab. Die Form der Kristalle wird durch die meteorologischen Umweltbedingungen bei der Kristallisation bestimmt, sowohl bei natürlichem als auch bei künstlichem Schnee. Zu den Umweltbedingungen zählen vor allem die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, aber auch der Luftdruck.

Kunstschnee unterscheidet sich in seiner Struktur (30-350 mikrometer, Kugelform) ganz wesentlich von Neuschnee (50-100 mikrometer, hexagonale Formen), je nach äußeren Bedingungen beträgt die massenspezifische Dichte von künstlich erzeugtem Schnee 300-500 kg/m³ (Naturschnee: 10-80 kg/m³). Diese Unterschiede wirken sich auf die Albedo und die Wärmeleitfähigkeit der Schneedecke wesentlich aus. Zusätzlich zur kugelförmigen Gestalt können direkt nach dem Beschneien in den Eiskügelchen Flüssigwassereinschlüsse beobachtet werden.

Die Unterschiede der beiden Eisformen sind in den folgenden Parametern zu suchen:

• Wasserdampf-Übersättigungsgrad (Naturschneebildung: höher)
• Luftdruck (Naturschneebildung: konstant niedriger)
• Zeitfaktor (Naturschneebildung: ~20fach langsamer Prozess)
• Eiskeime (Naturschneebildung: wenig geeignete, solche die hexagonales Wachstum unterstützen)

Ökologische und ethische Problematik

Beim Einsatz von Schneeerzeugern stehen den Ansprüchen der Wintersportler auf möglichst „guten“ Schnee vor allem der hohe technische Aufwand bzw. die hohen ökonomischen und ökologischen Kosten gegenüber. Kritisiert wird von der OECD der enorme Verbrauch an Wasser und Energie und der damit verbundene langfristige Schaden für die Umwelt.

Die etwa 3100 Schneekanonen in Europa verbrauchen pro Jahr und pro Hektar etwa eine Million Liter Wasser und 260.000 kWh Strom. Somit verbrauchen die Schneekanonen Europas jährlich soviel Energie wie eine Stadt von 150.000 Einwohnern und soviel Wasser wie eine Großstadt wie Hamburg. Dieses Wasser fehlt während den Wintermonaten in den Gewässern: Forscher haben festgestellt, dass seit Einführung der Schneekanonen bis zu 70 Prozent weniger Wasser in Bächen und Flüssen der französischen Alpen fließt.

Auch kurzfristige Umweltschäden sind dann zu beobachten, wenn für Beschneiungsanlagen eigene Stauseen in vorher unberührten Gebirgsgegenden errichtet und einmalige Ökosysteme zerstört werden, um dem Menschen das Skifahren zu ermöglichen.

Ironischerweise werden Schneekanonen vermehrt eingesetzt, um den zurückgehenden Schneemengen aufgrund der globalen Erwärmung (Klimawandel) entgegenzutreten – die Beschneiung trägt aufgrund ihres enormen Energieverbrauchs aber gleichzeitig zur Verstärkung des Klimawandels bei. Die ethische Frage, ob der Mensch alles darf bzw. alles tun soll, wozu er technisch in der Lage ist, steht auch bezüglich der Anwendung von Schneekanonen im größeren Zusammenhang eines verantworteten Umgangs mit der Umwelt (Umweltethik, Nachhaltigkeit).

Chemische Hilfsmittel

Sogenannte Snow-Inducer sind Proteine, die dem Wasser von Beschneiungsanlagen zugesetzt werden, um die Nukleationstemperatur zu erhöhen.

Der von einer US-amerikanischen Firma hergestellte Snow-Inducer Snomax wird in den USA seit 1987 eingesetzt, weiter ist die Verwendung von Snomax in Kanada, Norwegen, Japan, Schweden, Schweiz, Finnland, Italien, Chile und Australien zugelassen.

In Deutschland und Österreich wird der Einsatz sehr kontrovers diskutiert. 2002 wurde eine Umweltverträglichkeits-Prüfung durchgeführt. Snomax ist sehr umstritten, da Pseudomonaden zur Herstellung des Proteins verwendet werden. Da das Bakterium Pseudomonas syringae 31R nur abgetötet und nicht entfernt wird, werden so ebenfalls diese inaktiven Bakterien mit dem Wasser in die Natur ausgebracht. Daher ist der Einsatz in Bayern verboten.^[1]

Kritiker befürchten, dass diese einen negativen Einfluss auf Fauna und Flora haben, sobald der Schnee im Frühjahr schmilzt und diese Verunreinigung auf den Feldern liegen bleibt. In den Medien kursierte auch die Schlagzeile: Bakterienschnee vergiftet Trinkwasser^[2][3].

Technische Verfahren

Düsen einer Schneekanone

Schneelanze

• Eiskanone: Wasser wird entweder zu Eisblöcken gefroren, die dann zerstoßen werden oder auf eine rotierende gekühlte Trommel aufgespritzt und abgeschabt. Mittels Druckluft und Schlauchleitung kann der "Schnee" gezielt verteilt werden. Einfachstes Prinzip, unabhängig von der Außentemperatur; allerdings besteht der „Schnee“ hier aus Eissplittern, nicht aus Schneeflocken und eignet sich nur schlecht zum Skifahren. Dieses Verfahren wird hauptsächlich im Event- und Promotion-Bereich bzw. für city contests verwendet.

Die folgenden Verfahren ahmen die natürliche Entstehung von Schnee nach, bei der kleine Wassertropfen langsam kristallisieren und so die charakteristische Form der Schneekristalle ausbilden können:

• Druckluftkanone (fälschlich als Hochdrucksystem bezeichnet): – Aus einer Düse tritt ein Wasser-Druckluft-Gemisch bei einem Druck von 5–10 bar aus, bei der Ausdehnung unter Normaldruck kühlt das Luft-Wasser-Gemisch ab, so dass die Wassertröpfchen gefrieren können. Gute Schneileistung im Grenztemperaturbereich, extrem hoher Luftverbrauch (Energie), geringe Windempfindlichkeit, extrem laut.
• Propellerkanone (veraltet: Niederdrucksystem): Zentrales Element ist ein Propeller, welcher einen starken Luftstrom erzeugt. Rings um den Rohrausgang befinden sich der Düsenstock mit zumeist mehreren Kränzen. Die äußeren Düsen sind meist als Mischdüsen (Wasser und Druckluft)zur Produktion von Schneikernen, die Inneren meist als reine Wasserdüsen ausgeführt.Die Misch- oder Nukleatordüsen produzieren kleine Eiskristalle als Kristallisationskeime ähnlich dem Prinzip der Druckluftkanone (s. o.). Die Menge der Wassertropfen muss den äußeren Witterungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie der Wurfweite angepasst werden, um optimale Eigenschaften des Kunstschnees zu erreichen. Die im aus der Propellerkanone austretenden Luftstrom enthaltenen Wassertropfen verdunsten in der trockenen Winterluft teilweise, wodurch die Tröpfchen abkühlen. Ist der Gefrierpunkt erreicht, kristallisieren sie an den Kristallisationskeimen. Je trockener die Umgebungsluft ist, desto besser wirkt der Abkühlungsvorgang. So funktioniert dieses Verfahren bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 % schon bei 1 °C über Null, bei 80 % relativer Luftfeuchtigkeit sind dagegen unter −3 °C erforderlich. Die Propellerkanone ist das am häufigsten verwendete Prinzip, welches aber sehr hohen Stromverbrauch - bedingt durch den Ventilator - , sowie ungedämmt einen hohen Geräuschpegel mit sich bringt. Beste Regelbarkeit, Arbeitsdruck ca. 8-40 Bar.
• Schneelanze (HDK System): An der Spitze eines bis zu 12 Meter langen Aluminiumrohres, das senkrecht bzw. schräg aufgestellt wird, befinden sich Wasser- sowie Luft- bzw. Nukleatordüsen. In das bei Austritt aus der Wasserdüse zerstäubte Wasser wird Luft geblasen. Die vorher komprimierte Luft dehnt sich aus und kühlt sich dadurch ab, wodurch Eiskeime entstehen, an denen eine Kristallisation des zerstäubten Wasser stattfindet. Durch die Höhe und die langsame Sinkgeschwindigkeit bleibt genügend Zeit für diesen Prozess. Energiesparend, aber im Vergleich zur Propellerkanone kleine Reichweite und Schneeleistung, sowie eine stärkere Windempfindlichkeit. Vorteile gegenüber Propellerkanone: niedrigere Investitionen (nur Leitungssystem mit Luft- und Wasseranschluss, zentrale Kompressorstation), wesentlich leiser, halber Energieverbrauch pro Schneemenge. Wartungs- und verschleißarm. Regelung grundsätzlich möglich. Arbeitsdruck ab 20-60 Bar.Mittlerweile gibt es auch kleine mobile Anlagen für den Heimanwender, die am Gartenanschluss betrieben werden (HomeSnow).
• Kryo-Kanone: Wasser und Druckluft werden mit einem Kühlmittel (flüssiger Stickstoff) vermischt ausgebracht. Die Anwendung dieses Systems ist auch bei Temperaturen weit oberhalb des Gefrierpunktes möglich, durch die enormen Kosten ist jedoch ein flächendeckender Einsatz wirtschaftlich nicht möglich und wird daher nur im Event- und Promotionbereich eingesetzt.

Energie- und Wasserverbrauch

Wasserspeicher für das Skigebiet Hochjoch in Schruns, Montafon

Ressourcenbilanz am Beispiel einer Propellerkanone mit 24 kW:⁽¹⁾

• Ein Wasserdurchsatz von 1 Liter/Sekunde ergibt bei –3 °C eine Schneeleistung von 9 m³/Stunde (Schneegewicht 400 kg/m³), was etwa 3 kWh/m³ Schnee entspricht
• Bei –10 °C kann man bereits etwa 7 Liter/Sekunde durchsetzen, wobei der Energiebedarf der Schneekanone unverändert bleibt, jedoch die Pumpenergie linear steigt.

Das heißt, dass der Wirkungsgrad einer Beschneiungsanlage mit sinkender Temperatur linear steigt (Berechnung ohne Pumpenergie)⁽²⁾.

Keine weitere Energie muss für eine Hochdruckpumpe zur Wasserversorgung aufgewendet werden, sofern der Speicherteich höher liegt als der Aufstellort der Schneekanone. Für die Wasserentnahme aus einem Reservoir wird z. B. eine Tauchpumpe benötigt.

Energiebilanz einer Propellerkanone mit aliquoter Einrechnung der Pumpenergie:⁽²⁾

• –3 °C: 9 m³ Schnee/h ~ 5 kWh/m³ Schnee
• –10 °C: 60 m³ Schnee/h ~ 1 kWh/m³ Schnee

Kenndaten:

⁽¹⁾ Propellerkanone: Ventilator 15 kW, Kompressor 4 kW, Heizung 4 kW, Sonstiges 1 kW)

⁽²⁾

Seit dem Sommer 2008 ist im österreichischen Rauris eine Beschneiungsanlage in Betrieb, deren Steigleitung mit einem Kleinkraftwerk von 250 Kilowattstunden bestückt ist. So können jährlich 1,2 MW Stromleistung gewonnen werden – das deckt den Jahresbedarf der Gesamtanlage. Dabei wird das Wasserspeicherreservoir genutzt, und die sommerliche Produktion ins Netz eingespeist. Die für eine Fallhöhe von 350 m relative geringe Leistung des Kraftwerks liegt im verhältnismässig niedrigen Wasserverbrauch, den einen Beschneiungsanlage gegenüber einem Wasserkraftwerk hat, begründet.^[4][5]

Erfindung

Das Grundprinzip wurde Ende der 1940er Jahre durch Zufall in Kanada entdeckt, als ein Forscherteam, unter der Leitung des Kanadiers Raymond T. Ringer, Wasser in einem Windkanal bei tiefen Temperaturen sprühte, um die Vereisung von Düsentriebwerken zu untersuchen – und dadurch unerwünschter Schnee entstand. ^[6][7] Die erste Druckluftschneekanone wurde 1950 von Art Hunt, Dave Richey und Wayne Pierce vom amerikanischen Ski-Hersteller Tey Manufacturing als Reaktion auf einen Winter ohne Schnee erfunden und 1954 zum Patent ^[8] vergeben – welches jedoch später aufgrund der früheren Forschungsarbeiten für nichtig erklärt wurde. 1958 meldete der Amerikaner Alden Hanson die erste Propellerschneekanone zum Patent an, welches 1961 erteilt wurde. ^[9][10][11] Die Erfindung einer kompletten Beschneiungsanlage mit einem Lanzensystem (Oktober 1970) geht auf Herman K. Dupré zurück, aus diesem Grund bezeichnet man derartige Anlagen meist als HKD-Anlage. (US Patent 3,706,414)

Die erste europäische Niederdruck-Schneekanone konstruierte 1968 Fritz Jakob von der Firma Linde.^[12]

Literatur

• Stephanie Krauss: Beschneiungsanlagen in Bayern – naturschutzfachliche Anforderungen an die Genehmigungspraxis. Diplomarb., Techn. Univ., München/Freising-Weihenstephan 2002
• Gernot Lutz: Beschneiungsanlagen in Bayern: Stand der Beschneiung, potenzielle ökologische Risiken. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, München 2000, S. 72–74, PDF
• Hermann Hinterstoisser (Verantw.): Richtlinien für die Errichtung und den Betrieb von Beschneiungsanlagen im Land Salzburg. In: Naturschutz-Beiträge. Nr. 12, Amt d. Salzburger Landesregierung, Naturschutzreferat, Salzburg 1997, ISBN 3-901848-13-4
• B. Gerl: Lautstark rieselt der Schnee. Spektrum der Wissenschaft, Februar 2006, S. 52–53

Quellen

1. ↑ Beschneiungsanlagen und Kunstschnee (UmweltWissen - Bayerisches Landesamt für Umwelt)
2. ↑ „Ökologie von Schneeanlagen“ auf das-hoechste.de
3. ↑ „Schnee um jeden Preis?“ auf salzburg.com
4. ↑ Schneekanonenanlage als Kraftwerk. In: ORF Newsarchiv. 13. August 2008. Abgerufen am 17. August 2008.
5. ↑ Heinz Bayer: Strom aus Beschneiungsanlage. In: Salzburger Nachrichten, Regionalteil Aus Stadt und Land. 14. August 2008, S. 1, 11. 
6. ↑ Herr Holle und der Schnee von morgen, nachlese.at
7. ↑ Snow-making equipment takes over when Mother Nature slacks, uticaOD.com, 6. Januar 2005
8. ↑ US Patent 2676471
9. ↑ US Patent 2968164
10. ↑ Making Snow, About.com
11. ↑ Die Technik hinter der Schneekanone, Spektrum der Wissenschaft, 9. Dezember 2006
12. ↑ http://www.seilbahn.net/aktuell/wintermuseum/wintersportmuseum.htm

Weblinks