Von der Idee zur Umsetzung
Chancen & Probleme von Niederdruckanlagen
In Europa befinden sich noch viele ungenutzte Niederdruckstandorte mit Fallhöhen < 5 m. Diese Standorte können meist ohne Ausleitungsstrecke auskommen und gelten daher eher als genehmigungsfähig.
- Die Anlagenleistung wird aus der (großen) Wassermenge generiert, weniger durch die Fallhöhe.
- Große Wassermengen verlangen nach großen Bauwerken und Anlagenteilen.
- Aufgrund der geringen Fallhöhe sollen die hydraulischen Verluste gering sein.
- Die Anlage sind sensibel bei Fallhöhenverlusten z. B. durch Geschiebeanlandungen.
- Der Ertrag wird durch hohe Unterwasserstände verringert.
- Neue Umweltauflagen verlangen nach Möglichkeiten des gefahrlosen Fischabstiegs.
- Am besten sollte die Anlage gar nicht sichtbar oder hörbar sein.
Die spezifischen Erstellungskosten sind hoch.
Entwicklungsziel
Heute:
- Anlagen werden individuell geplant, gebaut, mit unterschiedlichsten Turbinen und Anlagenteilen versehen...
- Teuer? Qualität? Stimmt der Ertrag?
Mögliche Zukunft:
- Standardisierung des gesamten Krafthauses, Rechen, Turbine, Generator, inkl. Zu- und Ablauf.
- Ein wiederholbares Design wird entwickelt (mit Hilfe modernster Simulationswerkzeuge...)
- Die Anlagenkomponenten werden für das System optimiert.
- Die gesamte Anlage ist in der Wirkung bekannt.
- Das Krafthaus kann "im Trockenen" zusammengebaut und getestet werden -> nur ein Hersteller.
Ziel: Die Erstellungskosten sollen sinken, der Ertrag & die Qualität sollen steigen...
Idee
- Das Krafthaus sollte anhebbar sein, um Geschiebe direkt weiterzugeben.
- Bauvereinfachung: Soll keinen zusätzlichen Geschiebefang o. ä. benötigen.
- Es sollte optisch möglichst wenig auffallen.
- Über das Krafthaus sollte der Fischabstieg möglich sein, aber auch die Geschwemmselweitergabe.
- Die ungenutzte Energie bei erhöhten Abflüsse sollte zusätzlich genutzt werden können.
Entwicklungsschritt Generator-Turbinenkombination
Es ist eine doppelt regulierte Kaplan Rohrturbine vorgesehen -> bekannte Technik. Die Systemanlage soll einen sehr kompakten PMG beinhalten:
- Einsatz unter Wasser, Kühlung nur durch die Mantelfläche.
- Ersteinsatz & Test bei der WKA Faurndau.
- Pelektr. ≈ 330 kW bei 214 1/min.
Standardisierung durch unterschiedliche Baugrößen
Es sind 5 standardisierte Baugrößen geplant:
- Q≈4 bis 25m2 je Krafthauseinheit
Die kleinste Baugröße bis 5m Fallhöhe bzw. ca. 225 kW
| Länge | 8,65 m inkl. RRM |
| Breite: | 2,50 m |
| Transporthöhe: | 2,10 m |
| Transportgewicht: | 18 t. inkl.RRM |
Die größte Baugröße bis ca. 8,5 m Fallhöhe bzw. ca. 1,8 MW
| Länge: | 17,61 m inkl. RRM |
| Breite: | 5,30 m |
| Transporthöhe: | 4,20 m |
| Transportgewicht: | 125 t. inkl. RRM |
Erfahrungen
Bisherige Erfahrungen des ersten Probebetriebs der kleinsten geplanten Baugröße in Bad Sulza / WKA Sophienwehr:
- Sehr guter Teillastwirkungsgrad !
- Anlage ist im Betrieb akustisch nicht wahrnehmbar!
- bisher keinerlei Schwingungen feststellbar!
- Die Rechenreinigung scheint sehr effizient.
- Die technischen Grundlagen sind sehr vielversprechend....
Die größten geplante Baugröße ist bereits im Bau!
Geplante Inbetriebnahme 2010
Live-Bilder unter: www.e-werk-mittelbaden.de
Hintergrund
Flüsse wurden zu deren Kultivierung begradigt und an Wehranlagen aufgestaut (mehrere 1.000 Stauhaltungen in Europa). Wehranlagen sind für Wanderfische nicht mehr durchwanderbar und frühere Laichgebiete sind nicht erreichbar. Verlandungs- und Verschlammungsgefahr von Stauhaltungen.
Politische Ziele:
- Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit an bestehenden Wehranlagen
- Ausbau der Gewinnung regenerativer Energie aus Wasserkraft
Widerspruch?! Die wirtschaftliche Nutzung der Wasserkraft an bestehenden Stauhaltungen mit geringem Gefälle ist daher sehr schwierig.
Überlegungen
Niederdruckwasserkraftwerke zur Nutzung geringer Gefällestufen zeichnen sich dadurch aus, dass diese:
- mit nur geringem Eingriff in den bestehenden Stauhaltungen errichtet werden können
- keine langen Ausleitungsstrecken benötigen
- eine hohe Verfügbarkeit haben
- sehr langlebig sind
- nur geringe Leistungsschwankungen haben- die effizienteste Umsetzung erneuerbarer, - CO2 freier, regenerativer
- Energiegewinnung darstellt
- dezentral errichtet werden können
Anforderungen
Zur Erfüllung aller hydrologischen, ökologischen und ökonomischen Belange ist zu berücksichtigen, dass:
- keine Verschlechterung des Hochwasserquerschnittes verursacht wird
- eine ökologische Durchgängigkeit für flussauf- und flussabwärts wandernde Fische und Kleinlebewesen gegeben ist.
- keine Verlandung des Staubereichs und des Wiedereinleitungsbereichs auftritt.
- keine Emissionen verursacht werden.
- ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
- die Wasserkraftanlage sich unauffällig in das Landschaftsbild einfügt.
- hohe Qualitätsanforderungen erfüllt werden.
- eine optimale hydraulische Zu- und Abströmung gegeben ist.
- kurze Bauzeiten und geringe Baukosten möglich sind.
- auch niedrige Gefällestufen wirtschaftlich erschließbar werden.
Beim beweglichen über- und unterströmbaren Wasserkraftwerk werden in einem Bauwerk folgende Anlagenteile integriert:
- das schwenkbare Krafthausgehäuse ersetzt einen beweglichen Wehrverschluss.
- Gerinne zur Weitergabe der Sedimente bzw. des Geschiebes.
- hydraulisch optimierter Zu- und Ablauftrichter.
- am Einlauf ist ein besonders fischfreundlicher Rundbogenrechen installiert.
- sohl- und oberflächennaher Fischabstieg.
- seitlich neben dem Trog angeordneter Fischaufstieg.
Lösungsidee
Diese Konzeption bietet gegenüber herkömmlichen Ausführungen folgende Vorteile:
- Verbesserung des Hochwasserabflusses ohne zusätzliche Bauwerke.
- ökologische Durchgängigkeit für flussauf- und flussabwärts wandernde Fische und Kleinlebewesen
- keine Verlandung des Staubereichs und des Wiedereinleitungsbereichs.
- durch den Verzicht von Getrieben und dem Einsatz von PM Generatoren keine Emissionen.
- sehr hoher Gesamtwirkungsgrad durch die optimierte Hydraulik und die Wahl der Maschinen-Komponenten.
- hohe Energierückgewinnung bei Hochwasser durch Nutzung der Ejektorwirkung am Saugrohrende.
- Robuste, langlebige und wartungsarme Technik.
- kaum sichtbar, da ständig überströmt.
- kurze Bauzeiten und geringe Baukosten aufgrund der einfachen Bauweise.
- bei gleicher Jahresproduktion um bis zu 30 % günstigere Erstellungskosten.
Entwicklungsschritte
- das hydraulische Design der Gesamtanlage wurde am Institut für hydraulische Maschinen an der Universität Stuttgart optimiert
- die kompakte Turbinen / Generatoreinheit mit einem Betriebswasser gekühltem Permanentmagnet erregtem Synchrongenerator mit 330 kW bei n = 214 1/min (h > 96 %) ist seit März 2008 am Versuchsstandort Faurndau / Fils in Betrieb
Umsetzung
Weltweit erstmalige Umsetzung und Inbetriebnahme des Systemkraftwerks in Bad Sulza / Thüringen:
Entwicklung und Herstellung der weltweit ersten beweglichen, über- und unterströmbaren Wasserkraftanlage für den Anlagenstandort Sophienwehr / Ilm in Bad Sulza.