Vorzüge der beweglichen, über- und unterströmbaren Wasserkraftanlage

Die Wasserkraft ist eine wichtige erneuerbare Energiequelle in Deutschland. Basierend auf einer Studie des Umweltbundesamtes wird der Einsatz von Wasserkraft zur Energiegewinnung jedoch nicht immer als sinnvoll eingestuft. So sollte in naturnahen Flüssen, oder solchen, die renaturiert werden können, keine Wasserkraftanlagen neu gebaut oder wieder in Betrieb genommen werden. Unproblematisch, so das Umweltbundesamt, ist die Errichtung und Reaktivierung von Anlagen an bestehenden nicht rückbaubaren Stauhaltungen. Besonders dann, wenn gleichzeitig ökologische Verbesserungen (z. B. Wiederherstellung der Durchwanderbarkeit für Fische) erreicht werden können und zusätzlich die Belange des Gewässerschutzes und des Hochwasserschutzes berücksichtigt werden müssen.

Der innovative Charakter der beweglichen, über- und unterströmbaren Wasserkraftanlage besteht vor allem darin, dass innerhalb eines einfachen, schnell zu erstellenden Bauwerks das Kraftwerk, die Fischabstiege, die Hochwasserentlastung und die Geschiebeweitergabe realisiert werden können. Zusätzlich kann das bewegliche Krafthaus direkt in vorhandene Stauhaltungen, ohne Ausleitungsstrecke, integriert werden.


Prof. Dr. T. Bunge et.al.:„Wasserkraftanlagen als erneuerbare Energiequelle: rechtliche und ökologische Aspekte“, aus der Reihe Texte des Umweltbundesamtes, Texte Januar 2001

 

 

 

Abbildung 1: Prinzipdarstellung einer beweglichen, über- und unterströmbaren Wasserkraftanlage

Durch die Schwenkung des Kraftwerkes bei großer Wasserführung kann durch die freiwerdende Öffnung unterhalb des Turbinengehäuses sowohl der Stauspiegel in der Wasserhaltung geregelt werden als auch die Ejektorwirkung am Saugrohrende zur Steigerung der Energieerzeugung genutzt werden. Durch Simulationen der Geschwindigkeits- und Druckprofile konnte diese Ejektorwirkung bereits in dem vorangegangenen Forschungs- und Entwicklungsprojekt gemeinsam mit der Uni Stuttgart am Institut für hydraulische Strömungsmaschinen nachgewiesen werden.

Abbildung 2: Strömungsbild zum über- und unterströmen

Durch die Geschiebeweitergabe im Hochwasserfall wird das ökologische Gleichgewicht in der Stauhaltung verbessert und der Verlandung des Staubereiches entgegengewirkt. Bei einer Wasserführung kleiner dem maximalen Schluckvermögen der Turbine wird durch Schließen der Öffnung die maximale potentielle Energie genutzt. Nach heutigem wissenschaftlichem Kenntnisstand deutet sich die Konfiguration des ständig eingestauten Rundbogenrechens in Kombination mit der ständigen Überströmung als hervorragende Möglichkeit für den Fischschutz und Fischabstieg oberflächennah abwandernder Fischarten in unterschiedlichen Entwicklungsstadien an. Durch eine ständige oder temporäre Anhebung des Krafthauses kann auch der Forderung nach einem Fischabstieg für bodenorientierte Fischarten entsprochen werden. Entgegen der bekannten Verstopfungen üblicher Aalrohre können diese durch Anheben des Krafthauses vermieden bzw. Verklauselungen einfach entfernt werden. Gegenüber konventionellen Anlagenausführungen können mit diesem Anlagenkonzept die Fischabstiegskorridore ohne zusätzlichen finanziellen Einsatz realisiert werden. Die Anordnung des Fischaufstieges direkt neben dem Kraftwerkstrog lässt eine sehr gute Auffindbarkeit des Einstiegs durch Fische erwarten.

Abbildung 3: Einstieg des Fischaufstiegs direkt neben der Hauptströmung.

Aufgrund der überströmten Anordnung des beweglichen Krafthauses ist nach dem Bau der Anlagen hauptsächlich der Fischaufstieg, der direkt neben dem Kraftwerkstrog angeordnet wird und somit für Fische gut auffindbar ist, sichtbar. Durch die Lage unter Wasser und durch Verzicht jeglicher Übersetzungen wird der Betrieb des Kraftwerkes akustisch kaum wahrnehmbar sein.

Abbildung 4: bewegliche Wasserkraftanlage bei Q Gewässer < Q Anlage

Abbildung 5: bewegliche Wasserkraftanlage bei Q Gewässer > Q Anlage

Bei dem Wasserkraftanlagenprinzip wird auf ein Getriebe verzichtet und ein langsam laufender, direkt gekoppelter Generator eingesetzt. Dieses neue Generatorprinzip in Kombination mit einer doppelt regulierten Kaplanrohrturbine wurde bereits an einer durch das BMU geförderten Anlage getestet und in weiteren Anlagen erfolgreich realisiert.

Durch den Einsatz von Permanentmagneten zur Erregung des direkt gekoppelten Synchrongenerators reduzieren sich die Verluste gegenüber einer konventionellen Synchrongeneratortechnik um ca. 30 %, wodurch insbesondere im Teillastbereich trotz der Langsamläufigkeit sehr hohe Wirkungsgrade (> 97 %) erzielt werden.

Durch die Optimierung des gesamten hydraulischen Systems wird ein hoher Umsetzungsgrad der hydraulischen Rohenergie in mechanische Energie erzielt. Der Wegfall einer Übersetzung und jeglicher Kühlsysteme lässt sehr geringe Betriebs- und Wartungsaufwendungen erwarten.

Somit ergibt sich in Summe der vorgenannten Innovationen, die bei der beweglichen, über- und unterströmbaren Wasserkraftanlage umgesetzt werden, eine Steigerung der Stromerzeugung von 5 bis 15 % pro Jahr gegenüber einer konventionellen Anlage mit gleicher Turbinenschluckwassermenge. Gleichzeitig sinken die Betriebs- & Wartungskosten in etwa auf die Hälfte gegenüber einer konventionellen Anlagenausführung.

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