Heutzutage spielt die Wasserkraft aufgrund des Bedarfs an sauberer Energie und nachhaltiger Stromerzeugung eine zentrale Rolle bei der Deckung des Energiebedarfs. Insbesondere der Einsatz von Kleinstwasserkraftwerken mit geringer Fallhöhe verbreitet sich weltweit aufgrund ihrer geringen Amortisationszeiten und ihrer guten Umweltverträglichkeit. Schwerkraft-Wasserräder sind Kleinstwasserkraftwerke, die typischerweise an Standorten mit Fallhöhen von weniger als 6 m und Abflüssen von wenigen Kubikmetern pro Sekunde eingesetzt werden. Obwohl Wasserräder bereits im 18. Jahrhundert wissenschaftlich untersucht wurden, wurden sie während des 20. Jahrhunderts weitgehend ignoriert, und erst in den letzten zwei Jahrzehnten gibt es ein erneutes Interesse an ihrem Einsatz in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über Schwerkraft-Wasserräder gegeben, wobei zwischen unterschlächtigen, brustschlächtigen und überschlächtigen Wasserrädern unterschieden wird. Die Technologie von Wasserrädern wird diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf geometrischem und hydraulischem Design liegt; Daten und technische Gleichungen, die in historischen Büchern des neunzehnten Jahrhunderts gefunden wurden, werden ebenfalls vorgestellt. Die Leistung von Wasserrädern wird anhand von experimentellen Ergebnissen beschrieben und es werden moderne theoretische Modelle zur Abschätzung der Effizienz vorgestellt. Schließlich wurden die durch Experimente und numerische Simulationen erzielten Ergebnisse mit dem Ziel diskutiert, die Leistung von Schwerkraft-Wasserrädern zu optimieren. Die Ergebnisse zeigten, dass der maximale Wirkungsgrad von oberschlächtigen und unterschlächtigen Wasserrädern bei ca. 85 % lag, während der Wirkungsgrad von brustschlächtigen Wasserrädern zwischen 75 % und 80 % lag, abhängig von der Anströmungskonfiguration. Der maximale Wirkungsgrad von modernen Wasserrädern kann über einen größeren Bereich von Durchflussraten und hydraulischen Bedingungen im Vergleich zu älteren Anlagen auf solch hohen Werten gehalten werden. Daher können gut konstruierte Wasserräder als effiziente und kostengünstige Kleinstwasserkraftwerke betrachtet werden.