Entwicklung einer kinetischen Flussturbine

Motivation

In ökologisch sensitiven Gebieten, in denen ein Aufstau des Flusses nicht möglich ist, kann mit kinetische Flussturbinen Strom gewonnen werden. Trotz der geringeren Leistungsausbeute im Vergleich zu konventionellen Wasserkraftwerken können kinetische Flussturbinen einen signifikanten Beitrag zur Stromerzeugung liefern. So sind bereits in den USA entlang des Mississippi Konzessionen über 5,9 GW vergeben worden (Stand 2013, Bild 1). Weitere 14 GW sind dort vorgesehen. Das IHS hat die hydraulische Auslegung einer kinetischen Flussturbine in Zusammenarbeit mit der kanadischen Firma RER durchgeführt. Der erste Prototyp wurde im August 2010 im St. Lorenz-Strom in Montreal installiert und arbeitet seit dem zuverlässig.

Aufbau und Theorie von kinetischen Flussturbinen

Kinetische Flussturbinen entziehen dem Fluss die kinetische Energie und wandeln diese in elektrischen Strom um. Man unterscheidet generell zwischen freiumströmte und ummantelte Turbinenkonzepte. Die Turbinen können hierbei schwimmend oder am Flussboden verankert installiert werden. Das IHS hat eine ummantelte Flussturbine, welche am Boden verankert wird, hydraulisch entworfen und ausgelegt. Das Turbinenkonzept besteht aus Leit- und Laufrädern und anschließendem Saugmantel (Bild 2). Die Bodenverankerung ermöglicht den Betrieb auch im Winter, ohne dass Eisschollen die Anlage gefährden können.

Auslegung und Simulation der Anlage

Die gesamte Anlage wird mit Hilfe von analytischen Verfahren und Strömungssimulationen ausgelegt und optimiert. Hierbei wird versucht, die Anlage hinsichtlich der Baugröße (Kosten) und der Leistung zu optimieren. Zudem spielen die Kräfte und Lasten auf die Turbine und deren Haltestruktur eine große Rolle bei der Konstruktion und Auslegung.

Am IHS werden hierfür die komplette Turbineneinheit numerisch untersucht und die auftretenden Kräfte ausgewertet und analysiert. In Bild 3 (oben) ist eine Schräganströmung mit auftretendem Wirbelnachlauf dargestellt.

Installation und Betrieb

In Bild 3 (unten) ist die Installation der Anlage dargestellt. Die Installation erfolgt mit einer Barge mit Kran, welche an einer „Jack Up“ Barge verankert wird, damit die Position bei der reißenden Strömung gehalten werden kann.

Die Prototypenanlage wurde im August 2010 im St.-Lorenz-Strom in Montreal, Kanada, installiert. Am Standort herrscht eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit von ca. 3 m/s, bei der die Anlage eine Leistung von 100 kW liefert. Zusätzlich ist die Anlage mit einem Fisch-Monitoring System ausgestattet, um die Auswirkungen auf die Fauna zu untersuchen. Die Untersuchung zeigt, dass bis jetzt kein Fisch in die Turbine gekommen ist. Die Fische scheinen die Turbine frühzeitig zu erkennen und weichen aus.

Der Prototyp läuft seit August 2010 ohne Unterbrechung oder Störung unter Volllast zuverlässig. Weitere Anlagen sind derzeit in Planung.

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