Projekt 19267/01

Entwicklung einer neuartigen beweglichen, über- und unterströmbaren Wasserkraftanlage

Projektträger

Hydro-Energie Roth GmbH
Zehntstr. 2
76227 Karlsruhe
Telefon: 0721/550718

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Wasserkraftanlage, welche einerseits möglichst geringe Veränderungen am bestehenden, lokalen Ökosystem erfordert und andererseits durch ein deutlich verbessertes Kosten-/Nutzenverhältnis einen wirtschaftlichen Betrieb erlaubt. Hierbei sollen vorhandene Stauhaltungen direkt und ohne Ausleitungsstrecke unter Berücksichtigung des Fischschutzes nutzbar gemacht werden. Es soll ein neues Wasserkraftanlagenkonzept untersucht werden, welches über- und unterströmt werden kann, wodurch es möglich wird, dass Fische, Geschiebe und Treibgut die Wasserkraftanlage über oder unter dem Krafthaus passieren können. Der innovative Charakter dieser Wasserkraftanlagen besteht vor allem darin, dass das Krafthaus in seiner Neigung verändert werden kann und direkt in vorhandene Stauhaltungen, ohne Ausleitungsstrecke, integriert werden soll. Durch die frei werdende Öffnung unterhalb des Turbinengehäuses soll bei großer Wasserführung die natürliche Ejektorwirkung am Saugrohrende zur Steigerung der Energieerzeugung genutzt werden. Gleichzeitig kann Geschiebe weitergegeben werden und der Wasserspiegel in der Stauhaltung zusätzlich geregelt werden. Die Untersuchungen sollten belegen, dass sowohl die ökologischen als auch die ökonomischen Vorteile, bei entsprechender hydraulischer Ausgestaltung und Komponentenauswahl tatsächlich erreicht werden können. Hierbei ist besonderes Augenmerk auf den Fischschutz, die tatsächlich erzielbare Steigerung der Energierückgewinnung und die Betriebssicherheit des Gesamtsystems zu richten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurden die erforderlichen Anlagenkomponenten, wie Turbine, Antriebstechnik und der Generator, ausgewählt, die in das bewegliche Krafthaus integriert werden können und einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei möglichst robuster, wartungsarmer Ausführung ermöglichen. Es wurde ein vollständiger Entwurf und ein vereinheitlichtes Design des neuen Krafthauses entwickelt und für eine exempla-risch ausgewählte Baugröße ein 3-D Modell erstellt. Durch die Strömungssimulationen mit dem Pro-gramm FENFLOSS wurde das hydraulische Design des Krafthauses zunächst in Einzelabschnitten op-timiert und später im Ganzen simuliert. Die zusätzliche Ejektorwirkung soll hierbei durch Simulationen der Geschwindigkeits- und Druckprofile nachgewiesen werden. Zudem sollen die Verluste am Rechen, die Zuströmung zur Turbine, die Belastungsspitzen, das Schwingungsverhalten etc. analysiert werden, um ein exaktes und einheitliches Design des Gesamtkonzeptes umsetzen zu können. Diese Berechnungen dienen schließlich zur Beurteilung der tatsächlichen Leistungssteigerungen und werden für Festigkeitsberechnungen herangezogen. Im Zuge dieser Festigkeitsberechnungen soll auch das dynamische Verhalten des Krafthauses simuliert werden, um schließlich eine Beurteilung zu der Lebenserwartung und den Betriebskosten des Systems zu ermöglichen.


Ergebnisse und Diskussion

Bei der Komponentenauswahl zeigte sich, dass insbesondere durch den Einsatz von doppeltregulierten Kaplanrohrturbinen mit direkt angetriebenen Synchrongeneratoren mit Permanentmagneten und Direktkühlung durch das Betriebswasser, die Anforderungen einer robusten, kompakten und hoch effizienten Energieumwandlung realisiert werden können.
Durch die Strömungssimulation konnte der Nachweis erbracht werden, dass vor allem beim Unterströmen des Krafthauses die prognostizierten Ejektoreffekte zu einer Erhöhung der Leistung gegenüber einer konventionellen Wasserkraftanlage von mehr als 30 %, bei einer Wasserführung des Gewässers >der Anlagenausbauwassermenge, erzielt werden können. Beim untersuchten Pilotstandort ergab sich eine mittlere Jahresarbeitssteigerung von ca. 8,6 % gegenüber einer konventionellen Anlagenausführung. Wie vermutet, treten bei der Umströmung des Krafthauses pulsierende Druckschwankungen auf, die bei der Auslegung der Drehachse und Positionierung des Hebemechanismus berücksichtigt werden müssen. Selbst die im Extremfall auftretenden Schwingungen und Kräfte beim Umströmen des Krafthauses und geschlossener Turbine, was keinem üblichen Betriebszustand entspricht, lassen sich nach entsprechender statischer Berechnung zur mechanischen Ausführung, z. B. Sandwichbauweise, beherrschen. Nach heutigem, wissenschaftlichem Kenntnisstand deutet sich die Konfiguration des ständig eingestauten Rundbogenrechens, welcher systembedingt zur Oberfläche hin eine abnehmende Rechenneigung mit sich bringt, in Kombination mit der ständigen Überstömung, als gute Möglichkeit für den Fischschutz und Fischabstieg oberflächennah abwandernder Fischarten und deren unterschiedlichen Entwicklungsstadien an. Durch eine kleine Vertiefung im Trogboden kann im Zusammenhang mit dem sich trichterförmig zusammenziehenden Wasserraum unter dem abgesenkten Krafthaus auch der Forderung nach einem ständigen Fischabstieg für bodenorientierte Fischarten entsprochen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Mit Veröffentlichung 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.
Um das Gesamtkonzept dem interessierten Publikum verständlich näher 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 Universität Stuttgart haben wir am 19.09.2003 den Stand der Entwicklung erstmals dem Fachpublikum öffentlich vorgetragen.


Fazit

Die Untersuchungen zur beweglichen, über- und unterströmbaren Wasserkraftanlage haben gezeigt, dass das Konzept technisch und hydraulisch funktionsfähig realisierbar ist und die Aussagen zu der Ertragssteigerung gegenüber einer konventionellen Kraftanlage in der Größenordnung 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 zurückzuführen. Durch die Lösung der ökologisch und hochwassertechnisch relevanten Anforderungen innerhalb eines Systems, welches im Vergleich zu einer konventionellen Ausführung aus erheblich weniger Bauwerken und beweglichen Teilen besteht, reduziert sich die Störanfälligkeit und der Wartungsaufwand. Zusätzlich reduzieren sich die Risiken bei der Montage durch die Umweltbedingungen oder durch Fehler, die so-wohl bei der Planung als auch bei der Ausführung vor Ort entstehen können, 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 gegenüber einer konventionellen Bauweise reduzieren. Beim Versuch, mit der konventionellen Bauweise eine ähnlich hohe Energieumsetzung zu erzielen, fallen bei jeder Anlage standortspezifische Planungs- und Baukosten an, wodurch der wirtschaftliche Vorteil des beweglichen, über- und unterströmbaren Kraftwerkes dann noch deutlicher wird. Auf Grund der positiven Erkenntnisse sollte zügig an einem Pilotstandort die praktische Tauglichkeit des Systems bewiesen werden.

Übersicht

Fördersumme

160.000,00 €

Förderzeitraum

01.04.2003 - 01.10.2004

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik