Entwicklung einer Kleinwasserkraftturbine

Auf Grund des wachsenden Energiebedarfs und dem Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland, rückt die klassische Wasserkraft wieder mehr in den Fokus. Bestehende Querbauwerke sowie stillgelegte Kraftwerke eignen sich durch die Förderung mit dem erneuerbare Energien Gesetz (EEG) zum Ausbau mit Wasserkraftanlagen.

Das IHS arbeitet hierbei in Zusammenarbeit mit Voith Hydro in Heidenheim an der Entwicklung einer Kleinwasserkraftturbine. Die Turbine soll robust aufgebaut sein. Des Weiteren ist in der Basisversion keine Regulierbarkeit vorgesehen. Dies bedeutet, dass weder die Leitrad- noch die Laufradstellung im Betrieb geändert werden können.

Für die Wahl des geeigneten Standortes sind mehrere Aspekte ausschlaggebend. Axialturbinen werden in der Regel an Standorte mit niedrigen Fallhöhen sowie hohen Abflüssen verbaut. Aus diesem Grund eignet sich die Turbine hervorragend als Lauf-wasserkraftwerk an Flüssen.

Das geplante Konzept für den Ausbau von Querbauwerken an Flüssen sieht vor, in diese mehrere Turbinen zu verbauen.  Da die Turbine nicht regulierbar ist, kann auf  veränderte  Betriebsbedingungen  nur  reagiert  werden indem man die Turbine mit  Hilfe  eines  Schütz oder  anderer  Sicherungseinrichtungen vom Netz nimmt. Sind in einem Fluss jedoch mehrere Turbinen verbaut, ist es möglich auf die über das Jahr variierende Wassermenge eines Flusses zu reagieren. In Bild 1 ist die Dauerlinie eines Flusses, in der der Jahresabfluss aufgetragen ist, dargestellt. Mit Hilfe eines am IHS entwickelten Optimierungstools ist es möglich für unterschiedliche Turbinendurchmesser die maximale Jahresarbeit für eine beliebige Dauerlinie zu ermitteln. In Bild 1 ist dargestellt, dass die Anzahl an betriebenen Turbinen über das Jahr variiert. Dies hängt mit den über das Jahr variierenden Abflüssen und Fallhöhen  am untersuchten Standort zusammen.

Für die hydraulische Entwicklung der Turbine ist der Designpunkt entscheidend. Ausgehend von diesem Punkt kann mittels der Euler‘schen Turbinengleichung die Form der Laufschaufeln abgeschätzt werden. Die geltenden Zusammenhänge zwischen Leitradaustritt, Laufradeintritt und Laufradaustritt sind in Bild 2 dargestellt. Die Laufschaufel wird mit Hilfe von Strömungs-simulationen optimiert. Da die Ergebnisse der Strömungssimulation jedoch nach wie vor durch Modellversuche validiert werden müssen, wird die Turbine in einem für dieses Projekt neu konzipierten Modellprüfstand vermessen.

Mithilfe eines IEC-konformen Prüfstandes kann die neu entwickelte Turbine überprüft werden. Neben der Bestimmung des Wirkungsgrades der Turbine werden des Weiteren auch Kavitationsmessungen am Laufrad durchgeführt. Im weiteren Projektverlauf ist außerdem geplant, mittels Laser-Doppler-Anemometrie Geschwindigkeitsverteilungen an ausgewählten Querschnitten zu messen. Bild 3 zeigt ein CAD-Modell der Modellturbine.

Bei  der  Entwicklung liegt  der Fokus nicht ausschließlich auf klassische Laufradformen. Es ist geplant ein Laufrad für stark verschmutze Gewässer zu entwickeln. Hierbei ist es notwendig, den sich an der Eintrittskante des Schaufelprofils ansammelnden Schmutz vom Laufrad zu transportieren. Auch diese Laufräder sollen nach dem numerischen Designprozess im Modellversuch vermessen werden.