Innovative Turbinentechnik für die Herausforderungen der

Bericht
Christian Winkler
Innovative Turbinentechnik
für die Herausforderungen der
Kleinwasserkraft
Im Spannungsfeld zwischen Ökonomie und Ökologie ergeben sich ganz neue Herausforderungen an die Turbinentechnik für Kleinwasserkraftwerke Das nachfolgend beschriebene
Turbinen-Generatorkonzept wird darüber hinaus Belangen wie Ökologie, Denkmalschutz
und Geräuschfreiheit voll gerecht werden.
Integriertes TurbinenGeneratorkonzept
Diese Entwicklung wurde vor allem für
niedrige Gefälle von zwei bis 25 Meter
konzipiert. Die hervorstechenden Merkmale sind Drehzahlvariation und durch
die direkte Verbindung des Permanent
Magnet Generators mit der Turbinenwelle die äußerst kompakte Bauform. Der
einfache Aufbau dieses getriebelosen Antriebs zusammen mit der verschleißfreien
Dichtung und wartungsfreien Lagerung
ermöglicht im Wesentlichen die hohe Effizienz und höchste Verlässlichkeit.
Der bauliche Aufwand für das gesamte Kraftwerk reduziert sich erheblich. Die
kompakte Turbinen-Generator-Einheit
wird vollständig überspült und kann sehr
flexibel in das vorhandene Umfeld integriert werden (Bild 1).
Fischfreundliches
Kleinwasserkraftwerk
Der Aufstieg der Lebewesen muss mit einer modernen und standortspezifischen
Aufstiegsanlage sichergestellt werden. Der
Abstieg der Lebewesen wird durch ein speziell entwickeltes Einlaufsystem ermöglicht, in welchem standortspezifische Abstiegsöffnungen integriert sind. Der Schutz
der Lebewesen durch ein standortspezi­
fisches Feinrechensystem ist unumgänglich und schon jetzt absolut üblich.
Bild 1: DIVE-Turbine während der ersten Wasserfüllung
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Diese Punkte werden durch die zuständigen Bauingenieure und Lieferanten von
Stahlwasserbau Komponenten schon jetzt
sichergestellt, jedoch stellt sich bei herkömmlichen Turbinen noch die Problematik, dass die kleineren Fische und Lebewesen, welche durch den Feinrechen in
die Turbinenkammer gelangen und somit
durch die Turbine vom Oberwasser in das
Unterwasser absteigen müssen, einer erhöhten Gefährdung ausgesetzt sind.
Mit einer drehzahlvariablen Turbine
wird es ermöglicht, ein fischfreundliches
Kleinwasserkraftwerk zu realisieren. Die
DIVE-Turbine weist bauartbedingt die
­Eigenschaften auf, das Risiko für Fische
und andere Lebewesen deutlich zu reduzieren. Durch die drehzahlvariable Turbine erhöht sich die Überlebenswahrscheinlichkeit kleinerer Fische signifikant, Besonders im Teillastbereich bei reduzierter
Drehzahl verringert sich das Gefährdungspotenzial wesentlich im Vergleich
zu einer Kaplan Turbine mit fester Synchrondrehzahl und verstellbaren Laufradflügeln. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Kaplanturbinen weist eine drehzahlvariable Turbine mit ihren feststehenden Laufradflügeln überhaupt keine Spalte auf. Somit geht von dem Laufrad keine Gefahr
für die Fische aus, ein echter “Minimum
Gap Runner“.
Die Drehzahlanpassung bietet den erheblichen Vorteil gegenüber der Laufradverstellung. Ein normales Laufwasserkraftwerk (kein Speicherkraftwerk) wird
an vielen Tagen im Jahr mit reduzierter
Wassermenge betrieben. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad sicherzustellen, ist es notwendig, die Turbine an diese
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anlage, ein Kraftwerk zu integrieren. Da
im Rahmen der Fischwechselanlage erhebliche Baumaßnahmen notwendig und
verschiedenste Firmen an dem Vorhaben
beteiligt waren, hat sich die im Werk des
Herstellers vollständig vormontierte und
getestete Turbinen-Generator-Einheit als
deutlicher Vorteil herausgestellt. Somit ist
es möglich, die Energie der Lockströmung
zu nutzen und die Versorgung von ca. 250
Haushalten zu sichern (Bild 2).
Dotierturbine: Wasserkraftwerk
Bruckhäusl
Bild 2: DIVE-Turbine während der Einbringung an der Fischwechselanlage Koblenz
schwankenden Wassermengen anzupassen. Eine Standardturbine wird, auch bei
reduzierter Wassermenge, immer mit
max. Drehzahl (Netz-Synchrondrehzahl
des Generators) betrieben. Um bei Teillast
einen maximal möglichen Wirkungsgrad
sicherzustellen, schließt die Kaplan Turbine das Laufrad (Flügelverstellung) bei
gleichzeitig maximaler Drehzahl. Daraus
resultiert ein sich verkleinernder Abstand
zwischen den einzelnen Laufradflügel, bei
gleichzeitig konstant hoher Drehzahl.
Dieses „Teillastverhalten“ der Kaplan Turbine stellt ein erhebliches Risiko für die
­Fische dar.
Im Gegenteil dazu wird bei einer
­DIVE-Turbine die Drehzahl im Teillastbetrieb dynamisch reduziert, bei immer
vollgeöffnetem Laufrad. So geht an vielen
Tagen das Gefährdungspotenzial für
­Fische gegen Null.
fe dieser Lockströmung ist es den verschiedenen Fischarten möglich, den Einstieg in die Fischwechselanlage zu finden.
Um eine ausreichende Lockströmung zu
erzeugen, waren 5 000 l/s nötig. Davon
werden nur 700 l/s im Fischpass für den eigentlichen Aufstieg benötigt. Um die restliche Wassermenge und die vorhandene
Fallhöhe zu nutzen, wurde ein integriertes Turbinen-Generatorkonzept eingesetzt. Denn nur mit Hilfe dieser kompakten Turbinen-Generator-Einheit ist es
möglich, selbst bei den beengten Platz­
verhältnissen im Bereich der Fischwechsel­
Auftraggeber:
TIWAG – Tiroler
Wasserkraft AG
Inbetriebnahme:
September 2011
Fallhöhe:
9,00 – 10,00 m
Laufrad Durchmesser:1150 mm
Nennleistung:
3 89 kW (NettoEinspeiseleistung)
Am Fuße des Schlosses Itter an der Brixentaler Ache ersetzte die TIWAG zwei schon
100 Jahre alte Wasserkraftwerke. Das neue
Kraftwerk Bruckhäusl wird mit 15,8 Millionen Kilowattstunden pro Jahr fast doppelt so viel Strom erzeugen wie die beiden
alten Anlagen zusammen. Im Rahmen
dieser Kompletterneuerung ist das Wehrbauwerk ebenfalls neu errichtet worden.
Die abzugebende Restwassermenge wird
durch eine sogenannte Dotierturbine direkt am Wehr genutzt und ins Mutterbett
abgegeben. Somit wird sichergestellt, dass
immer eine ausreichende Wassermenge
im Mutterbett vorhanden ist, um den Lebensraum zu erhalten. Das Dotierkraft-
Lockstromturbine: Wasserkraftwerk
Koblenz
Auftraggeber:
RWE Power AG
Inbetriebnahme:
Dezember 2011
Fallhöhe:
4,50 – 5,70 m
Laufrad Durch­messer:1080 mm
Nennleistung:
190 kW (NettoEinspeiseleistung)
Um den Fischaufstieg an der Moselstufe
Koblenz zu gewähren, haben Ende 2011
die Arbeiten an einer modernen Fischwechselanlage begonnen. Der Fischaufstieg von verschiedenen Fischarten konnte nur ermöglicht werden, indem eine
Lockströmung erzeugt wird. Nur mit Hil44
Bild 3: Dotierkraftwerk integriert in Wehr- und Uferbauwerk
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Bild 4: DIVE-Turbine mit 900 kW installiert in der Turbinenkammer
werk konnte auf Grund der kompakten
Bauform der DIVE-Turbine direkt in die
Uferböschung integriert werden (Bild 3).
Leistungssteigerung durch Moder­ni­sie­
rung und hydraulische Opti­mie­rung:
Wasserkraftwerk Guilhot
Auftraggeber:
Ondulia
Inbetriebnahme:
Januar 2014
Fallhöhe:
10,50 m
Laufrad Durchmesser:1450 mm
Nennleistung:
3 x 900 kW (NettoEinspeiseleistung)
Über einen sehr kurzen Zeitraum von ca.
12 Monaten wurden drei Francis-Turbinen durch drei integrierte Turbinen-Generator-Einheiten ersetzt. Die Vorgaben
des Kunden hatten zum Ziel das historische Kraftwerksgebäude zu erhalten,
gleichzeitig den Jahresertrag und die installierte Leistung deutlich zu steigern.
Dies wurde zum einen durch eine Steigerung der Effizienz und zum anderen
durch eine Steigerung der Nutzwassermenge erzielt. Dabei hat sich ausgezahlt,
dass die Drehzahlvariation insbesondere
bei Teillast und reduzierter Fallhöhe sehr
gute Wirkungsgrade erzielt. Die eigentliche Herausforderung bestand darin, unter
Verwendung der alten Bausubstanz die
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Nutzwassermenge der Turbinen signifikant zu erhöhten. Es war von Beginn an
abzusehen, dass es hier zu Einschränkungen kommen kann.
Somit wurde nach ersten Testläufen die
gesamte Einlaufsituation mit CFD-Berechnungen untersucht und geeignete
Maßnahmen vorgeschlagen. Geschickt
und mit wenig Aufwand wurden Leitbleche und sogenannte Deflektoren eingebracht. Dies steigerte in allen Betriebsbereichen der Anlage die Leistung erheblich.
Die bei ersten Versuchen aufgetretenen
Erscheinungen wie Vortex und die damit
verbundenen Vibrationen waren beseitigt.
Für den Betreiber konnten erheblichen
Kosten und Risiken vermieden werden
Ein Abriss und Neubau waren nicht notwendig. Die deutliche Leistungssteigerung
der Gesamtanlage erfreute den Kunden
sehr (Bild 4).
Autor
Christian Winkler
c/o DIVE Turbinen GmbH & Co. KG
Am Grundlosen Brunnen 2
63916 Amorbach
[email protected]
[email protected]
www.dive-turbine.de
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