Projekt 15681/01

Basisuntersuchungen für ein OWC-Wellenenergiekraftwerk mit konventioneller Hydroturbine

Projektträger

Universität LeipzigWirtschaftswissenschaftliche FakultätLehr- und Forschungsgebiet Grundbau und Wasserbau
Marschnerstr. 31
04109 Leipzig
Telefon: 0341/9733-831

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das OWC-Wellenenergiekraftwerk ist der zur Zeit zukunftsträchtigste Typ zur Umwandlung von Wellenenergie in nutzbaren Strom. Die laufenden Forschungsarbeiten beschäftigen sich insbesondere mit der Dimensionierung der Strukturen hinsichtlich auftretender Belastungen, der Minimierung der hydraulischen Verluste und der Entwicklung von neuartigen Turbinen-Generatoren-Typen. Die Entwicklung aller bisher untersuchten Luftturbinensysteme wird jedoch als problematisch und die Kommerzialisierung als hin-dernd angesehen. Aufbauend auf den internationalen Forschungsergebnissen soll eine Bestandsaufnahme der verfügbaren Hydroturbinen durchgeführt und mit Basisuntersuchungen geprüft werden, ob ein Einsatz konventioneller Hydroturbinen im OWC-Wellenenergiekraftwerk eine energetische Weiterentwicklung darstellen kann. Um den Wirkungsgrad gegenüber derzeitigen Entwicklungen deutlich zu stei-gern, sollen dazu kleinmaßstäbliche Untersuchungen am physikalischen Modell zeigen, ob und wie eine Hydroturbine in einem OWC-Wellenenergiekraftwerk, eine Konzeption zur Strömungsgleichrichtung so-wie eine strömungsoptimierte Form der Ein- und Auslaufkammern umgesetzt werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs ist eine Bestandsaufnahme der heute verfügbaren Hydroturbinen für mögliche Anwendungen in einem OWC-Wellenenergiekraftwerk durchgeführt worden. Es ist mit Hilfe von laseroptischen Geschwindigkeitsmessungen (Particle Image Velocimetrie) im welleninduzierten Strömungsfeld an der Einlassöffnung eines OWC-Wellenenergiekraftwerks erstmals gelungen, die den Gesamtwirkungsgrad eines OWC-Wellenenergiekraftwerks maßgeblich bestimmenden Verluste, d. h. die Dissipation von turbulenter kineti-scher Energie, zu bestimmen. Es sind weiterhin Wirkungsgradverläufe in Abhängigkeit von der Frequenz der anlaufenden Wellen unter Variation geometrischer Parameter und des Dämpfungsverhaltens eines OWC-Wellenenergiekraftwerks ermittelt worden. Diese Wirkungsgradverläufe sind zunächst für heute üblicherweise in einem OWC-Wellenenergiekraftwerk eingesetzte Luftturbinen ermittelt worden. Anschließend ist unter Veränderung verschiedener geometrischer Randbedingungen (Zu- und Ablaufkammern, Öffnungsweiten, und Verteilung der Zu- und Abläufe etc.) mit Basisuntersuchungen an einem physikalischen Modell der zu erwartende Wirkungsgrad bei Einsatz von Hydroturbinen in einem OWC-Wellenenergiekraftwerk quantifiziert worden.


Ergebnisse und Diskussion

Im ersten Teil des Projekts sind die heute verfügbaren Turbinen für einen derartigen Einsatz erfasst und zusammengestellt worden. Damit ist der heutige Stand auf dem Gebiet der Anlagen zum Einsatz im Bereich der kleinen Wasserkraft ermittelt und es sind mögliche Projektpartner für spätere Projektphasen er-kannt und benannt worden.
Die Basisuntersuchungen am physikalischen Modell verliefen im ersten Teil sehr erfolgreich. Erstmals ist es gelungen, über eine ganzheitliche Betrachtung und Vermessung des Strömungsfeldes im Einlaufbereich eines OWC-Wellenenergiekraftwerks Energieverluste beim Einlaufen von Wellen in die Hauptkammer eines OWC-Wellenenergiekraftwerks zu quantifizieren und daraus Empfehlungen für die Gestaltung des Einlaufbereichs abzuleiten. Dazu ist die Particle Image Velocimetrie als Ganzfeldverfahren zur Untersuchung von Strömungsfeldern eingesetzt worden. Dieses Messverfahren hat den experimentellen Aufwand gegenüber den Planungen zu Projektbeginn (hier war der Einsatz einer Ultraschallsonde vorge-sehen) erheblich erhöht. Die Ergebnisse rechtfertigen jedoch diesen versuchstechnischen Mehraufwand und haben bereits Eingang in einige Veröffentlichungen gefunden.
Im dritten Teil ist der Wirkungsgrad möglicher Hydroturbinen bei einem Einsatz in einem OWC-Wellenenergiekraftwerk im physikalischen Modell untersucht worden. Leider entsprachen die erzielten Ergebnisse nicht den Erwartungen. Die Wirkungsgradverläufe im untersuchten Frequenzband liegen für eine Hydroturbine deutlich unter denen für die heute üblicherweise eingesetzten Luftturbinen. Mit der idealisierenden Annahme, den am Einlauf in die Zulaufkammer anstehenden Energiefluss des Wassers vollkommen und verlustfrei nutzen zu können, sind maximal Wirkungsgrade zu erzielen, die in etwa einem Zehntel der heute eingesetzten Luftturbinen entsprechen.
Diese geringen Wirkungsgrade einer Hydroturbine können physikalisch wie folgt erklärt werden: Es entstehen in den Zu- bzw. Ablaufkammern zwei schwingungsfähige Systeme die über einen Verbindungskanal (Hydroturbine) miteinander kommunizieren. Die Ventile zwischen den beiden Kammern sind so geschaltet, dass sie eine gerichtete Strömung durch den Verbindungskanal erzeugen (Potentialdifferenz zwischen Zu- und Ablaufkammer). Es besteht die Hauptschwierigkeit, das System in Zu- und Ablaufkammer zur Schwingung anzuregen, weil die Massenträgheit des Systems nur schwer mit der durch die periodische Wellenbewegung angefachten oszillierenden Bewegungen der Wassersäule in der Hauptkammer des OWC-Wellenenergiekraftwerks System zu überwinden ist. Der Gesamtwirkungsgrad sinkt gegenüber einem OWC-Wellenenergiekraftwerk mit Luftturbine deswegen dramatisch ab. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis kann somit gegenüber einem OWC-Wellenenergiekraftwerk mit Luftturbine nicht verbessert werden. Es gilt zukünftig zu erforschen, ob und ggf. wie eine Koppelung von Luftturbine und Hyd-roturbine zu verbesserter Energieausbeute führen kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Projektes oder mit Bezug zum Projekt entstandene Veröffentlichungen
[GSL00] Graw K-U, Schimmels S & Lengricht J. 2000. Quantifying the losses around the lip of an OWC by use of Particle Image Velocimetry (PIV). Aalborg: Proc Fourth European WaveEnergy Conference: I 1.
[LSG01] Lengricht J, Schimmels S & Graw K-U. 2001. 3-D particle image velocimetry in complex wave motion. Maui, Hawaii: Proc. The 3rd Pacific Symposium on Flow Visualization and Im-age Processing: C5-3 (CD-ROM F3107.pdf).
[Len01] Lengricht J. 2001. Investigation of a disturbed wave field by phase resolution. Tempe, Arizona: Proc. 3rd International Symposium on Environmental Hydraulics 2001.
[LSSG01] Lengricht J, Schimmels S, Schlurmann T & Graw K-U. 2001. Whole field velocity mapping in waves. Chennai: Proc. International Conference in Ocean Engineering ICOE 2001.


Fazit

Die Erkenntnisse aus den sehr umfangreichen Modelluntersuchungen sollen jedoch genutzt werden, um abzuschätzen, inwiefern die hier erstmals unterbreitete Idee eines OWC-Wellenenergiekraftwerks mit konventioneller Hydroturbine nicht doch noch vielversprechend weiterverfolgt werden kann.