Untersuchung von kinetischen Flussturbinen in offenen Gerinnen

Mit 16% Anteil an der weltweiten Stromerzeugung liefert die Wasserkraft den größten Beitrag der Erneuerbaren Energien. Von dem weltweit geschätzten wirtschaftlichen  Potential von 14356 TWh/a der Wasserkraftnutzung werden derzeit allerdings nur ca. 35% genutzt, das Meiste davon in konventionellen Wasserkraftanlagen. Für diese Art der Nutzung muss das Gewässer aufgestaut und gegebenenfalls ausgeleitet werden. Dadurch ist die ökologische Durchgängigkeit und der natürliche Geschiebehaushalt des Fließgewässers beeinflusst. Eine Alternative bietet die direkte Nutzung der Flussströmung durch hydrokinetische Turbinen.

Bei den am Institut untersuchten kinetischen Flussturbinen handelt es sich um horizontalachsige Auftriebsläufer. Der maximale Wirkungsgrad einer solchen Maschine ist aufgrund der Abbremsung des Fluids theoretisch begrenzt. Nach Betz berechnet sich die maximal zu erzielende Leistung zu:

Um mit einem möglichst kleinen Rotor verhältnismäßig hohe Leistungen zu erreichen, wird dem Laufrad ein Diffusor angeschlossen und somit die projizierte Fläche vergrößert. Bei einer CFD-gestützten Entwicklung kinetischer Turbinen wird zunächst das Saugrohr entworfen und optimiert. Das Turbinenlaufrad wird hierbei nur indirekt über ein Modell berücksichtigt. Die Ergebnisse aus der Simulation des optimalen Saugrohrs werden als Randbedingung für die Auslegung der Lauf- und evtl. Leitschaufeln verwendet. Abschließend muss eine transiente Simulation der gesamten Anlage - inklusive Befestigungsvorrichtung und Stützelementen - durchgeführt werden um Funktionalität und Kennwerte der Turbine zu verifizieren.

Viele potentielle Standorte für die direkte energetische Nutzung der Flussströmung bieten  Platz für mehr als eine kinetische Turbine. Deshalb werden am Institut Vor- und Nachteile verschiedener Turbinenanordnungen untersucht. Bild 2 zeigt die Stromlinien für eine parallele Anordnung unendlich vieler Turbinen mit dem Abstand a. Im Diagramm ist zu sehen, dass dieser Abstand einen maßgeblichen Einfluss auf die Turbinenleistung hat. Für geringe Abstände kann die Leistung um bis zu 15% gesteigert werden, wobei zu beachten ist, dass die Leistungssteigerung hauptsächlich aus der Verblockung des Fließquerschnitts und dem daraus resultierende Drucksteigerung im Oberwasser entsteht.

Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen kinetischen Turbinen und dem Fließgewässer gibt es verschiedene Ansätze. Für eine erste Annäherung in einem ausgedehnten Gebiet  können 2D-Flachwasserlöser (z.B. tidalFoam) verwendet werden. Die Strömungsgrößen werden tiefengemittelt und die Fließtiefe wird über Flachwassergleichungen bestimmt.

Um eine detaillierte Bestimmung des Wasserspiegels im direkten Umfeld einer kinetischen Turbine treffen zu können ist eine 2-Phasen-Simulation, z.B. mit der „Volume of Fluid“-Methode nötig. Bild 3 zeigt  die Wasserspiegellage für die Umströmung einer kinetischen Turbine mit. Im Oberwasser wird das Gewässer durch das Hindernis Turbine aufgestaut. Über der Turbine und im  Unterwasser bildet sich aufgrund der Fließtiefenänderung ein lokaler gewellter Wechselsprung aus.