Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Wasserkraftanlage, welche einerseits m\u00f6glichst geringe Ver\u00e4nderungen am bestehenden, lokalen \u00d6kosystem erfordert und andererseits durch ein deutlich verbessertes Kosten-\/Nutzenverh\u00e4ltnis einen wirtschaftlichen Betrieb erlaubt. Hierbei sollen vorhandene Stauhaltungen direkt und ohne Ausleitungsstrecke unter Ber\u00fccksichtigung des Fischschutzes nutzbar gemacht werden. Es soll ein neues Wasserkraftanlagenkonzept untersucht werden, welches \u00fcber- und unterstr\u00f6mt werden kann, wodurch es m\u00f6glich wird, dass Fische, Geschiebe und Treibgut die Wasserkraftanlage \u00fcber oder unter dem Krafthaus passieren k\u00f6nnen. Der innovative Charakter dieser Wasserkraftanlagen besteht vor allem darin, dass das Krafthaus in seiner Neigung ver\u00e4ndert werden kann und direkt in vorhandene Stauhaltungen, ohne Ausleitungsstrecke, integriert werden soll. Durch die frei werdende \u00d6ffnung unterhalb des Turbinengeh\u00e4uses soll bei gro\u00dfer Wasserf\u00fchrung die nat\u00fcrliche Ejektorwirkung am Saugrohrende zur Steigerung der Energieerzeugung genutzt werden. Gleichzeitig kann Geschiebe weitergegeben werden und der Wasserspiegel in der Stauhaltung zus\u00e4tzlich geregelt werden. Die Untersuchungen sollten belegen, dass sowohl die \u00f6kologischen als auch die \u00f6konomischen Vorteile, bei entsprechender hydraulischer Ausgestaltung und Komponentenauswahl tats\u00e4chlich erreicht werden k\u00f6nnen. Hierbei ist besonderes Augenmerk auf den Fischschutz, die tats\u00e4chlich erzielbare Steigerung der Energier\u00fcckgewinnung und die Betriebssicherheit des Gesamtsystems zu richten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZun\u00e4chst wurden die erforderlichen Anlagenkomponenten, wie Turbine, Antriebstechnik und der Generator, ausgew\u00e4hlt, die in das bewegliche Krafthaus integriert werden k\u00f6nnen und einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei m\u00f6glichst robuster, wartungsarmer Ausf\u00fchrung erm\u00f6glichen. Es wurde ein vollst\u00e4ndiger Entwurf und ein vereinheitlichtes Design des neuen Krafthauses entwickelt und f\u00fcr eine exempla-risch ausgew\u00e4hlte Baugr\u00f6\u00dfe ein 3-D Modell erstellt. Durch die Str\u00f6mungssimulationen mit dem Pro-gramm FENFLOSS wurde das hydraulische Design des Krafthauses zun\u00e4chst in Einzelabschnitten op-timiert und sp\u00e4ter im Ganzen simuliert. Die zus\u00e4tzliche Ejektorwirkung soll hierbei durch Simulationen der Geschwindigkeits- und Druckprofile nachgewiesen werden. Zudem sollen die Verluste am Rechen, die Zustr\u00f6mung zur Turbine, die Belastungsspitzen, das Schwingungsverhalten etc. analysiert werden, um ein exaktes und einheitliches Design des Gesamtkonzeptes umsetzen zu k\u00f6nnen. Diese Berechnungen dienen schlie\u00dflich zur Beurteilung der tats\u00e4chlichen Leistungssteigerungen und werden f\u00fcr Festigkeitsberechnungen herangezogen. Im Zuge dieser Festigkeitsberechnungen soll auch das dynamische Verhalten des Krafthauses simuliert werden, um schlie\u00dflich eine Beurteilung zu der Lebenserwartung und den Betriebskosten des Systems zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Bei der Komponentenauswahl zeigte sich, dass insbesondere durch den Einsatz von doppeltregulierten Kaplanrohrturbinen mit direkt angetriebenen Synchrongeneratoren mit Permanentmagneten und Direktk\u00fchlung durch das Betriebswasser, die Anforderungen einer robusten, kompakten und hoch effizienten Energieumwandlung realisiert werden k\u00f6nnen.
\nDurch die Str\u00f6mungssimulation konnte der Nachweis erbracht werden, dass vor allem beim Unterstr\u00f6men des Krafthauses die prognostizierten Ejektoreffekte zu einer Erh\u00f6hung der Leistung gegen\u00fcber einer konventionellen Wasserkraftanlage von mehr als 30 %, bei einer Wasserf\u00fchrung des Gew\u00e4ssers >der Anlagenausbauwassermenge, erzielt werden k\u00f6nnen. Beim untersuchten Pilotstandort ergab sich eine mittlere Jahresarbeitssteigerung von ca. 8,6 % gegen\u00fcber einer konventionellen Anlagenausf\u00fchrung. Wie vermutet, treten bei der Umstr\u00f6mung des Krafthauses pulsierende Druckschwankungen auf, die bei der Auslegung der Drehachse und Positionierung des Hebemechanismus ber\u00fccksichtigt werden m\u00fcssen. Selbst die im Extremfall auftretenden Schwingungen und Kr\u00e4fte beim Umstr\u00f6men des Krafthauses und geschlossener Turbine, was keinem \u00fcblichen Betriebszustand entspricht, lassen sich nach entsprechender statischer Berechnung zur mechanischen Ausf\u00fchrung, z. B. Sandwichbauweise, beherrschen. Nach heutigem, wissenschaftlichem Kenntnisstand deutet sich die Konfiguration des st\u00e4ndig eingestauten Rundbogenrechens, welcher systembedingt zur Oberfl\u00e4che hin eine abnehmende Rechenneigung mit sich bringt, in Kombination mit der st\u00e4ndigen \u00dcberst\u00f6mung, als gute M\u00f6glichkeit f\u00fcr den Fischschutz und Fischabstieg oberfl\u00e4chennah abwandernder Fischarten und deren unterschiedlichen Entwicklungsstadien an. Durch eine kleine Vertiefung im Trogboden kann im Zusammenhang mit dem sich trichterf\u00f6rmig zusammenziehenden Wasserraum unter dem abgesenkten Krafthaus auch der Forderung nach einem st\u00e4ndigen Fischabstieg f\u00fcr bodenorientierte Fischarten entsprochen werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Mit Ver\u00f6ffentlichung der Patentschrift und insbesondere durch den Artikel in der Fachzeitschrift Neue Energie (Ausgabe 09-2002) zeigte sich ein reges Interesse von Fachingenieuren, Kommunen und Investoren.
\nUm das Gesamtkonzept dem interessierten Publikum verst\u00e4ndlich n\u00e4her zu bringen, haben wir neben der Beschreibung des Gesamtkonzeptes auf unserer Internetseite einen animierten Film erstellt. Im Zuge des 4. Seminars Kleinwasserkraft der IHS der Universit\u00e4t Stuttgart haben wir am 19.09.2003 den Stand der Entwicklung erstmals dem Fachpublikum \u00f6ffentlich vorgetragen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Untersuchungen zur beweglichen, \u00fcber- und unterstr\u00f6mbaren Wasserkraftanlage haben gezeigt, dass das Konzept technisch und hydraulisch funktionsf\u00e4hig realisierbar ist und die Aussagen zu der Ertragssteigerung gegen\u00fcber einer konventionellen Kraftanlage in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von 5 bis 15 % realistisch erscheinen. Die Ertragsteigerung ist zum einen auf den Ejektoreffekt bei einem Wasserdargebot oberhalb der Ausbauwassermenge und zum anderen auf die effizientere Energieumsetzung mit dem di-rektgekoppelten Permanentmagnet-Synchrongenerator zur\u00fcckzuf\u00fchren. Durch die L\u00f6sung der \u00f6kologisch und hochwassertechnisch relevanten Anforderungen innerhalb eines Systems, welches im Vergleich zu einer konventionellen Ausf\u00fchrung aus erheblich weniger Bauwerken und beweglichen Teilen besteht, reduziert sich die St\u00f6ranf\u00e4lligkeit und der Wartungsaufwand. Zus\u00e4tzlich reduzieren sich die Risiken bei der Montage durch die Umweltbedingungen oder durch Fehler, die so-wohl bei der Planung als auch bei der Ausf\u00fchrung vor Ort entstehen k\u00f6nnen, da die Maschineneinheit im Werk als Gesamtes gebaut und getestet werden kann.Insbesondere durch die einfache Gestaltung des Troges, in welchem das bewegliche Krafthaus ange-ordnet wird, werden sich die Kosten und die Zeiten zur Erstellung des Wasserbaus erheblich gegen\u00fcber einer konventionellen Bauweise reduzieren. Beim Versuch, mit der konventionellen Bauweise eine \u00e4hnlich hohe Energieumsetzung zu erzielen, fallen bei jeder Anlage standortspezifische Planungs- und Baukosten an, wodurch der wirtschaftliche Vorteil des beweglichen, \u00fcber- und unterstr\u00f6mbaren Kraftwerkes dann noch deutlicher wird. Auf Grund der positiven Erkenntnisse sollte z\u00fcgig an einem Pilotstandort die praktische Tauglichkeit des Systems bewiesen werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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