Aktuelle Beispiele optimierter Turbinentechnologien – Möglichkeiten zur Maximierung des Kosten-/Nutzen-Verhältnisses und „State-of-the-art“-Troubleshooting bei Kleinwasserkraftanlagen

Derzeit partizipiert die Wasserkraft nur teilweise an den staatlich subventionierten Einspeisetarifen für regenerative Energiequellen. Strompreise sind für Erzeuger seit einigen Jahren auf einem sehr niedrigen Niveau – mit dramatischen Auswirkungen für die Wasserkraft, da neue Investitionen finanziell nicht bzw. kaum darstellbar sind und daher keine neuen Projekte getätigt werden. Um ein Projekt auf der „grünen Wiese“ realisieren zu können benötigt man heute kostenoptimierte Kraftwerk-Layouts, hydraulische Designs und neue Ideen – weg vom konservativen Denken – mit einem Zielfokus: Kosten. Damit steht SHP und MHP plötzlich wieder im Rampenlicht, wenn das technische Konzept auch kostenmäßig überzeugen kann. Auch bei Refurbishment-Projekten wird heute nur bei positiven Indikatoren für dessen Wirtschaftlichkeit ein entsprechender Umbau-Beschluss gefasst. Folgend wird nun ein aktueller Überblick über die Betriebsbereiche von Maschinentypen gegeben und auf einige Entwicklungen, die am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen in den letzten Jahren gemacht wurden, eingegangen. Neben den klassischen Turbinentypen wird auf semiregulierte Maschinen, Durchström-Turbinen, „Low-Head“-Anlagen und „Low-Cost“-System eingegangen. Daher werden diesbezügliche Techniken bei einigen Turbinentypen anhand aktueller Beispiel aus dem Kleinwasserkraftsektor gezeigt. Kaplan Bulb-Turbine, Kaplan PIT-Turbine mit Riemenübersetzung, ns>900 Für Bewässerungskanäle mit niedrigen Fallhöhen und relativ hohen Wassermengen konzipiert sieht diese Maschinenkonfiguration einen Standardgenerator vor, der über einen Riemen angetrieben wird. Im Rahmen eines IEC-konformen Modell-Versuchs [1] wurde die auf Basis numerischer Strömungssimulation (CFD) entwickelte Hydraulik überprüft. Das Konzept sieht eine selbsttragende Turbine, die wahlweise einbetoniert oder in ein Wehr eingebaut werden kann, vor. Die erreichte Turbinenperformance und der extrem flache Verlauf des Spitzenwirkungsgrades der Kaplaneinhüllenden sind für diesen Turbinentyp nicht selbstverständlich [2],[3Der realisierte Durchmesser ist sehr gering im Vergleich zu anderen Entwicklungen hier, die Turbinendrehzahl relativ hoch und gemeinsam mit der Verwendung des Standardgenerators ist das Einsparungspotential enorm. Kaplan, semiregulierte vertikale Kaplanturbine, low head - low cost system Für „Low-head“-Applikationen gibt es einen Einsatzbereich (H<=2m, Q<=3 m³/s), der sehr schwer mit einer hydraulischen Maschine energetisch genutzt werden kann. Die Verwendung einer Pumpe als Turbine schlägt meist fehl, da nur wenige Serienpumpen (zumeist sind diese auch noch als eher teure Rohrgehäusepumpen ausgeführt) diese Menge bei so niedrigen Höhen abarbeiten könnten. Wasserrad- und Staudruckmaschinentechnologie wird hier interessant, wobei die realisierbaren „water-to-wire“ Wirkungsgrade, bedingt durch die sehr niedrige Drehzahl und dem dazu benötigten Einsatz eines mehrstufigen Getriebes, eher niedrig sind. Die dauerhafte Überwachung der verschiedenen Getriebestufen verursacht weitere Kosten. Der Ansatz in dieser Konzeptstudie ist daher ein anderer: was kann man bei einer klassischen Kaplanmaschine alles weglassen was Kosten verursacht ohne die Betriebsweise zu sehr einzuschränken? Es verbleibt eine Kaplanturbine mit verstellbarem Laufrad, ein einfaches Saugrohr und eine vereinfachte Spirale, ausgeführt als exzentrischer Schacht mit fixen Stützschaufeln. Wirkungsgrade auf einem entsprechenden Niveau wurden durch systematische numerische Optimierung für 3-flügelige und 4-flügelige Kaplanlaufräder erarbeitet. Diagonalturbine, Entwicklung einer drehzahlvariablen Ausführung Die klassische Diagonalturbine wird seit Mitte des vorigen Jahrhunderts vor allem als Pumpturbine (Deriaz) gebaut. Hierbei wird dieser Turbinentyp bei variableren Durchflüssen eingesetzt und ist besser regelbar als eine Francis-Turbine. Sie befindet sich im Betriebsbereich zwischen Kaplan und Francis, wird für mittlere Fallhöhen eingesetzt und hat eine spezifischen Schnellläufigkeit im Bereich von nq=50 bis 120 1/min. Verzichtet man auf eine verstellbare Laufschaufel und verändert stattdessen die Drehzahl, bleibt die Maschine weiterhin doppelt reguliert. Man ist zwar so nicht in der Lage die volle Drehzahl-Regelbarkeit auszunützen, da die Fallhöhe ja unverändert bleibt, es verbessert sich der Wirkungsgrad in Teillast jedoch soweit, dass sich die Drehzahl-Variabilität trotz Einsatz eines Frequenzumrichters rechnet. Durchströmturbine mit und ohne Saugrohr, numerische Simulation und experimentelle Überprüfung Der Wirkungsgrad dieses Maschinentyps wird kontinuierlich verbessert und die Energieausbeute mit Saugrohr erhöht. Gezeigt werden die Ergebnisse von umfangreichen numerischen Optimierungen, wie auch Prüfstandsversuche und Anlagenmessungen. Basierend auf einer 1D-Auslegung wurden die Hauptabmessungen für ein initiales Design gefunden und schrittweise durch komplexe mehrphasige Simulationen erhöht. Es konnte dadurch die Interaktion zwischen Düse und Laufrad sowie der 2-malige Durchgang des Wassers durch das Laufrad [4],[5] im Detail analysiert und optimiert werden. Twin Francis Modernisierung; Troubleshooting bei Lärmproblem Manchmal lohnt es sich bei der Modernisierung von alten Turbinen, lediglich die Laufräder zu tauschen und den Rest der Anlage nur zu überholen. Ziel ist auch hier die Steigerung des Wirkungsgrades. Nach der Modernisierung einer alten Doppel-Francis-Anlage wurde durch Anrainer eine signifikante Beeinträchtigung durch ein neues Lärmverhalten der Maschine bemängelt. Die zwei parallel installierten Maschinensätze schlucken je 4.4 m³/s und werden bei einer Fallhöhe von 5.65 m betrieben. Bei dem betroffenen Maschinensatz 2 wurden neue Laufräder eingebaut, die von einer modernen klassischen Francis Turbinen Hydraulik stammen, wobei die Drehzahl auf nTurbine =211.6 1/min erhöht wurde. Die Anlagenmessung bestätigte das Manko, ermöglichte gleichzeitig aber auch einen Umbauvorschlag, der innerhalb eines Tages realisiert werden konnte: Die Veränderung der Austrittskante um die Schwingungsanregung der Karmanschen Wirbelstraße zu unterbinden. Innovationen und der Mut zu neuen Ansätzen müssen dazu führen auch die Wasserkraft wieder attraktiv für Neuinvestments zu machen. Da die Wasserkraft als einzige regenerative Energiequelle nicht entsprechend gefördert wird, muss dabei der technische Ansatz die Kostenseite so beeinflussen, dass dadurch sogar diese Benachteiligung wettgemacht wird.