Optimierung eines schwimmenden Turbinensystems zur Nutzung von Gezeiten-strömungsenergie

Gezeitenkraftwerke nutzen die Energie der Gezeitenströmung, die durch den Tidenhub entsteht. Da der Tidenhub im Gegensatz zu Wind und Sonne vorhersagbar ist, bieten Gezeitenkraftwerke einen zuverlässigen und berechenbaren Beitrag zur Energiewende. Im Gegensatz zur klassischen Wasserkraft befindet sich diese Art von Kraftwerk weltweit noch im Entwicklungs- und Demonstrations-stadium. Die meisten aktuell in Erprobung befindlichen Typen verwenden große axiale Turbinen, die fest auf dem Boden verankert sind. Dieses Konzept wird häufig als „Windkraftanlage unter Wasser“ bezeichnet.

Das in dem vorliegenden Projekt untersuchte Kraftwerk der Schottel Hydro GmbH ist eine schwimmende Trimaran Plattform mit mehreren kleineren Turbinen (vgl. Abb. 1) und verfolgt damit ein anderes Konzept. Durch die schwimmende Plattform ist keine aufwendige Haltestruktur unter Wasser notwendig und es ist ein vergleichsweise einfacher Zugang für Wartungen vorhanden. Ziel ist es, dadurch die Kosten für Installation und Wartung und damit letztlich die Stromkosten von Gezeitenkraftwerken zu senken.

Im vorhergegangenen BMWi-Verbundvorhaben TidalPower wurde das Turbinensystem und das Konzept einer Befestigungsstruktur entwickelt. Mit den Erkenntnissen dieses Projekts wurde ein Prototyp gebaut und im realen Einsatz in Schottland getestet. Dabei konnte die prinzipielle Einsatzfähigkeit und Wirtschaftlichkeit des Konzeptes gezeigt werden.

Aufbauend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen ist das generelle Ziel des hier gezeigten Verbundvorhabens die Optimierung der Turbinentechnik und die Zusammenführung mit der Plattform PLAT-I. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über den Projektträger Jülich gefördert und besteht aus insgesamt fünf Partnern aus Industrie und Wissenschaft.

Das Teilprojekt des IHS besteht darin, die Strömungszustände um die Turbinen und die Plattform mit Hilfe von Simulationen zu bestimmen. Dabei sollen vor allem Wechselwirkungen zwischen den Turbinen selbst und mit der Plattform identifiziert und gegebenenfalls Lösungswege zur Reduktion aufgezeigt werden.

Es wurden stationäre und instationäre Simulationen von einzelnen und mehreren Turbinen in verschiedenen Konfigurationen sowohl in Modell- als auch in Originalgröße durchgeführt. Die aufwendigsten Simulationen umfassen die Schwimmplattform mit Turbinen (vgl. Abb. 2) . Dabei werden ca. 32 Millionen blockstrukturierte Hexaeder Elemente verwendet und eine Rechenzeit von ca. 30000 CPU-Stunden benötigt.

Abhängig von den durchgeführten Simulationen werden verschiedene Einstellungen und Modelle gewählt. Mit Ausnahme einer Untersuchung, bei der ein hybrides Netz zum Einsatz kommt, werden blockstrukturierte Netze mit Hexaeder Elementen verwendet. Die Grenzschicht wird direkt berechnet (Modellgröße) oder über Wandfunktionen modelliert (Originalgröße). Als Turbulenzmodell wird bei allen Simulation das k-ω SST-Modell verwendet. Bei den instationären Simulationen entspricht die Zeitschrittweite einer Rotation der Turbine um ca. 5°. Außer bei der Untersuchung des Einflusses der Wasseroberfläche wird die Wasseroberfläche als reibungsfreie Wand modelliert. 

Der Vergleich mit Messdaten und anderen Simulationsergebnissen zeigt, dass die hier verwendeten Simulationsmethoden die Strömung sowohl in Modell- als auch Originalgröße genau abbilden können. Insbesondere umfasst das auch die qualitative Interaktion zwischen zwei Turbinen.

Das Verhalten der Turbinen an der Plattform ist rein phasenabhängig. Dies ist in Abb. 3 beispielhaft für den Leistungsbeiwert gezeigt. Es treten keine instationären oder zufälligen Interaktionen zwischen den Turbinen oder mit der Plattform auf. Die Schwingung der integralen Werte der Turbinen resultiert hauptsächlich vom Halteschwert vor den Turbinen. Die innere Turbine L1 wird zusätzlich stark vom Verankerungsturm der Plattform in der Nähe des Bugs des inneren Schwimmkörpers beeinflusst. Die Schwimmkörper selber haben keinen Einfluss auf die integrale Werte und nur einen geringen Einfluss auf die Schwingung. Durch die gegenseitige Behinderung der Ausweichbewegung der Strömung steigen bei mehreren Turbinen im Vergleich zu einer Einzelturbine sowohl Leistung als auch Schub.