Jump to content Jump to navigation Jump to search
Turbinhjul
Sted: Sunndal
Foto: Karl H. Ystanes

Erneuerbare Energie: noch flexiblere Wasserkraftwerke

Wasserkraft ist die flexibelste Quelle für erneuerbare Energie, die es gibt. Deshalb spielt sie eine entscheidende Rolle für die Stromversorgung, wenn Sonne und Wind nicht verfügbar sind. Statkraft beteiligt sich derzeit an zwei internationalen Forschungsprojekten, die Wasserkraftwerke noch flexibler gestalten sollen.

Erik Jacques Wiborg
Erik Jacques Wiborg
Technischer Spezialist

Erik Jacques Wiborg ist technischer Spezialist für Wasserkraftturbinen in der Abteilung "Electro & Mechanical" bei Statkraft.

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.

Norddalsvatnet
Wie lässt sich Wasser aus Stauseen und Flüssen so effizient und flexibel wie möglich für die Stromerzeugung nutzen? Mit neuen Forschungsprojekten zum Turbinenbetrieb wird nach Antworten auf diese Frage gesucht. Das Foto zeigt einen Überlauf am See Norddalsvatnet oberhalb des Wasserkraftwerks Makkoren in Høyanger in der Provinz Sogn og Fjordane. (Foto: Karl H. Ystanes)

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.

Det opprinnelige systemet der vann injiseres i turbinen for å hindre spinn og trykksvingninger.
Das Bild wurde im Wasserkraftwerk Trollheim in der Gemeinde Surnadal der Provinz Møre og Romsdal aufgenommen und zeigt das ursprüngliche System, bei dem Wasser in die Turbine eingespritzt wird, um Wirbelströmungen und Druckschwankungen entgegenzuwirken. (Foto: Statkraft)

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.

Fra NTNUs vannkraftlaboratorium i Trondheim.
Aus dem NTNU-Labor für Wasserkraft in Trondheim, Norwegen. Ein Großteil der praktischen und theoretischen Entwicklungsarbeit des HydroFlex-Projekts wird hier durchgeführt. Die NTNU gehört zu den Partnern des Forschungskonsortiums. (Foto: Geir Mogen)

Verschiedene Turbinentypen

Die Francis-Turbine ist nur einer von mehreren Turbinentypen, die in Wasserkraftwerken eingesetzt werden. Die Auswahl der Turbinen hängt von der Fallhöhe und den Durchflussschwankungen des Gewässers ab, in dem sich das Kraftwerk befindet.

Francis

Francis-turbin
Die Francis-Turbine, bei der das Wasser von der Seite (radial) einströmt und unten wieder austritt. (Grafik: Store Norske Leksikon)

Francis-Turbinen eignen sich für eine Fallhöhe zwischen 50 und 750 Metern und sind die am weitesten verbreiteten Turbinen in norwegischen Wasserkraftwerken. Bei dieser Turbine tritt das Wasser radial in das Turbinenrad ein und tritt axial durch den Auslass aus der Turbine aus (siehe Abbildung). Die Turbine ist nach dem amerikanischen Ingenieur James Bicheno Francis (1815 - 1892) benannt, der diese 1849 erfand.

Kaplan

Kaplan-turbin
Die Kaplan-Turbine, bei der das Turbinenrad die Form eines Propellers hat. (Grafik: Store Norske Leksikon)

Kaplan-Turbinen werden für kleine und wechselnde Fallhöhen und höhere Wasserdurchflussmengen eingesetzt. Diese sind in Flusskraftwerken weit verbreitet, da sie auch bei schwankenden Wasserdurchflussmengen effizient arbeiten. Das Turbinenrad ähnelt einem Propeller, bei dem die Propellerblätter je nach Wassermasse und Wasserdruck verstellt werden können (siehe Abbildung). Der österreichische Ingenieur Victor Kaplan (1876 - 1934) erfand diese Turbine im Jahr 1912.

Pelton

Pelton-turbin
Die Pelton-Turbine, bei der Wasser durch Düsen einströmt und auf die Schaufeln trifft. (Grafik: Store Norske Leksikon)

Pelton-Turbinen verfügen über Schaufeln, die Wasser aufnehmen, das aus einer oder mehreren Düsen auf das Turbinenrad gespritzt wird (siehe Abbildung). Dieser Turbinentyp wird üblicherweise in Wasserkraftwerken mit einer Fallhöhe von über 400 Metern eingesetzt. Die Pelton-Turbine wurde in den 1880er Jahren vom Amerikaner Lester Allen Pelton entwickelt.

Zwei Männer begutachten Turbinenrad
Location: NTNU, Trondheim, Norway
Photo: Halvor Haukvik/NTNU

Horizon 2020

Horizont 2020 ist das achte EU-Rahmenprogramm für Forschung, technologische Entwicklung und Innovation. Etwa 7,5 Millionen Euro fließen insgesamt von der EU und der EWR in dieses Programm. Dabei geht es vor allem darum, einige der Herausforderungen zu meistern, die sich aus der Finanzkrise in Europa in den Jahren 2008 und 2009 ergeben haben. Ziel des Programms ist es, die Bereiche Forschung und Entwicklung zu verknüpfen, sich auf die großen gesellschaftlichen Herausforderungen zu konzentrieren, die nationalen Programme in Europa (EFR) zu koordinieren und dadurch die globale Position Europas in Forschung, Innovation und Technologie zu stärken. Eine der größten Herausforderungen, denen sich Horizont 2020 stellt, ist der globale Klimawandel, der Maßnahmen durch einen besseren Zugang zu sauberer und erneuerbarer Energie notwendig macht.

Project group members
Location: Brussels, Belgium
Photo: Erik Jacques Wiborg, Statkraft

Teilnehmer des AFC4HYDRO Projekts vor dem Gebäude der Europäischen Kommission in Brüssel. Von Links: Malcolm Burns (Universitat Politècnica de Catalunya, UPC), Carl-Maikel Hogstrom (Vattenfall), Michel Cervantes (Luleå Technical University), Xavier Escaler (UPC), Erik Wiborg (Statkraft), Oscar De La Torre Rodriguez (UPC), Morten Kjeldsen (Flow Design Bureau).

Wichtige Forschungsprojekte

Statkraft beteiligt sich an zwei Forschungsprojekten im EU-Rahmenprogramm für Forschung und Entwicklung, Horizon 2020. Dank Innovationen und technologischer Entwicklung sollen Wasserkraftwerke durch beide Projekte flexibler gemacht werden.

  • Ziel des HydroFlex-Projekts ist es, wissenschaftliche und technologische Durchbrüche zu erzielen, durch die Wasserkraftwerke erheblich variabler betrieben werden können, um so die Energie- und Speicherkapazität voll auszunutzen. Das Projekt wird von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technik (NTNU) geleitet.
  • Das AFC4Hydro-Projekt dient der Erforschung und Entwicklung technischer Lösungen für den schonenden Betrieb von Turbinen unter ungünstigen Lasten mit dem Ziel, die Lebensdauer und Flexibilität bereits installierter Turbinen zu erhöhen. Das Projekt wird von der Technische Universität von Katalonien (UPC) und der Barcelona Tech geleitet.

Statkraft Injektionssystem

Sprechen Sie uns an