Erneuerbare Energie: noch flexiblere Wasserkraftwerke

Sonne und Wind liefern zwar preiswerte, saubere und erneuerbare Energie, aber ihre Produktion ist vom Wetter abhängig, nicht vom Bedarf. Aus diesem Grund benötigen wir andere Energiequellen, die ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage schaffen können.

In der Welt der erneuerbaren Energien ist die regulierbare Wasserkraft hierfür am besten geeignet, aber selbst die Wasserkraft ist nicht in allen Situationen flexibel genug. Das kann sich jetzt ändern.

Zusammenarbeit in der internationalen Forschung

Die Francis-Turbine, die am häufigsten in Wasserkraftwerken eingesetzt wird, funktioniert am besten bei Volllast, d. h. bei maximalem Wasserdurchfluss und Wasserdruck. Wenn zu wenig Wasser fließt, können sich Turbulenzen und Druckschwankungen im Wasser bilden, die schnell zu Schäden an der Turbine führen können.

"Das bedeutet, dass die Turbinen entweder fast bis zur Auslegungsgrenze gefahren oder ganz abgeschaltet werden müssen, wodurch die Flexibilität des Kraftwerks verringert wird", so Erik Jacques Wiborg von Statkraft. Wiborg ist Turbinen-Experte und interner Projektleiter bei Statkraft für zwei Forschungsprojekte, AFC4Hydro und HydroFlex, im EU-Rahmenprogramm Horizont 2020.

Die Ansätze der beiden Projekte sind zwar etwas unterschiedlich, aber beide zielen darauf ab, Wasserkraftwerke flexibler zu gestalten. An den Projekten sind Industriepartner und Forschungseinrichtungen aus mehreren Ländern beteiligt.

"Durch eine höhere Flexibilität lässt sich die regelbare Wasserkraft auch bei größeren, schnelleren und eventuell kurzfristigen Schwankungen in der Wind- und Solarenergieproduktion besser nutzen. Derzeit ist die Lithiumbatterie praktisch die einzige Technologie, die sich dafür eignet", erklärt Wiborg.

Viele Wasserkraftwerke müssen Mindestwassermengen im Wasserlauf unterhalb der Anlage einhalten, weshalb das Wasser oft um die Turbinen herum abgeleitet wird.

„Aufgrund der technischen Einschränkungen des Kraftwerks können wir dieses Wasser nicht immer zur Stromerzeugung nutzen, zumindest nicht, ohne die Lebensdauer der Turbine erheblich zu verkürzen. Mit neuen oder verbesserten Turbinen werden wir in der Lage sein, Wasserkraftwerke mit niedrigeren Lasten zu betreiben und die Reaktionsgeschwindigkeit der Maschinen zu erhöhen", erklärt er.

Gegenstromtechnologie

Im AFC4Hydro-Projekt sollen technische Lösungen für den schonenden Betrieb von Turbinen unter ungünstigen Lasten entwickelt werden. Ziel ist es, die Lebensdauer und Flexibilität von bereits installierten Turbinen zu erhöhen. Im Rahmen des Projekts wird zudem eine Technologie weiterentwickelt, an deren Entwicklung Statkraft zuvor in Zusammenarbeit mit Flow Design Bureau und Troms Kraft Energi beteiligt war (siehe Video unten).

„Bei diesem System leiten wir Wasser ein, um einer Wirbelströmung und Druckschwankungen entgegenzuwirken, die die Turbine beschädigen können. Das aktuelle System funktioniert, aber es ist durchaus ausbaufähig. Derzeit arbeiten wir an einer Lösung, bei der wir den Winkel der Düsen einstellen können, die das Wasser einspritzen, wodurch die Effizienz gesteigert und der Wasserverbrauch verringert wird“, so Wiborg.

„Außerdem testen wir eine Technologie mit mechanischen Kolben stromabwärts hinter dem Turbinenlaufrad. Diese können einen Über- oder Unterdruck erzeugen, der Druckschwankungen im Wasser entgegenwirkt. Mit der Zeit wird sich zeigen, was unter den verschiedenen Bedingungen am besten funktioniert", schließt er.

Neu entwickelte Turbine

Das zweite Projekt, HydroFlex, befasst sich mit der Konstruktion von Turbinen und zugehörigen Systemen, die schnellere Starts und Stopps mehrmals am Tag aushalten können.

„Aufgrund der Reaktionszeit bietet Wasserkraft nicht die gleiche Flexibilität wie Batterien", so Wiborg.

Im HydroFlex-Projekt werden Turbinen, Generatoren und Transformatoren so weiterentwickelt, dass sie schneller reagieren können.

„Als wichtige Umweltschutzmaßnahme werden wir im Rahmen desselben Programms ein System entwickeln, mit dem sich die negativen Auswirkungen der häufigen Schwankungen des Wasserflusses stromabwärts vom Kraftwerk verringern lassen. Ähnlich wie bei schalldämpfenden Kopfhörern müssen Gegenwellen erzeugt werden, die die von der Anlage ausgehenden Schwankungen neutralisieren. Dadurch wird der Wasserdurchsatz im Fluss gleichmäßiger, auch wenn wir die Stromerzeugung häufiger stoppen und wieder starten“, so Erik Jacques Wiborg.