Ruff, Robin (2022)
Entwicklung eines mobilen, hydrokinetischen Kleinstenergiewandlers für den Einsatz in Schwellen- und Entwicklungsländern.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021603
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ein zuverlässiger Zugang zu Energie trägt maßgeblich dazu bei, die Lebensqualität zu sichern und den Wohlstand zu fördern. Dementsprechend sieht das siebte Ziel für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen den Zugang zu bezahlbarer, verlässlicher, nachhaltiger und zeitgemäßer Energie für die gesamte Weltbevölkerung bis 2030 vor. Eine besondere Rolle spielt dabei die elektrische Energie, da sie zum Betrieb zahlreicher Geräte, Maschinen und Anlagen sowie für das Funktionieren von Kommunikationskanälen und Datennetzen unerlässlich ist.

Im Rahmen des hier bearbeiteten und vorgestellten Forschungsprojektes werden Einsatzmöglichkeiten einfach-modularer und kostengünstiger hydrokinetischer Kleinstturbinen zur Erreichung dezentraler Energieversorgungen untersucht. Ziel ist hierbei nicht die Bereitstellung großer elektrischer Leistungen und das Erreichen hoher Wirkungsgrade, sondern die Verfügbarmachung kleiner, dringend ortsnah benötigter elektrischer Energiemengen mittels niedrigschwelliger Einfachsttechnologie. Besonders im ländlichen Raum von Schwellen- und Entwicklungsländern ermöglichen bereits geringe Mengen an elektrischem Strom den Betrieb von Telekommunikation und Internet und gewährleisten somit einen wichtigen sozialen Anschluss, als auch die Möglichkeit zur Weiterbildung und zum Betreiben von Handel. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Turbinenbauweisen liefern eben diese benötigten Mindestenergiemengen, lassen sich aus vor Ort leicht verfügbaren, kostengünstigen und robusten Bauteilen ohne besondere handwerkliche und maschinenbautechnische Vorkenntnisse anfertigen und mobil in Gewässerläufen und Kanälen installieren sowie betreiben. Hierfür wurden zunächst potentielle Komponenten auf ihre Eignung für den Einsatz als Turbinenbauteile untersucht und basierend auf den Ergebnissen ein Prototyp entwickelt. Mittels Untersuchungen, welche im wasserbaulichen Forschungslabor des Fachgebiets für Wasserbau und Hydraulik an der TU Darmstadt durchgeführt wurden, konnte das Leistungsverhalten des entwickelten Prototyps analysiert und optimiert werden. Hierbei wurden zunächst an der Schnitt-stelle zwischen Maschinenbau und Elektrotechnik Parameter korreliert und zugehörige Kennlinien zur technischen Auslegung und Leistungsbewertung ermittelt, aus denen u.a. auch Mindestanforderungen zur Betriebsfähigkeit und damit Anforderungen bzgl. möglicher Einbaustandorte hervorgehen. Ausgehend davon, wurde der Einfluss hydraulischer Randbedingungen, wie Durchflussmenge und Anströmgeschwindigkeit, auf die Leistungsfähigkeit der Turbine untersucht. Hieraus ergaben sich weitere Optimierungen, beispielsweise bezüglich der Rotorblattgeometrie oder dem optionalen Hinzufügen einer modularen Ummantelung der Turbine. Zu-dem wurde untersucht, inwieweit sich mittels einfachster modularer und möglichst aufstaufreier Gerinneeinbauten die Anströmung der Turbine fokussieren lässt und auch damit eine Leistungssteigerung erreicht werden kann.

Die Untersuchungen ergaben, dass sich mithilfe des entwickelten Prototyps für realistische hydraulische Randbedingungen, wie sie sich in kleinen Fließgewässern und Bewässerungskanälen häufig finden lassen, eine elektrische Leistung von ca. 40 – 50 Watt zuverlässig bereitstellen lässt. Damit lässt sich eine grundlegende Energieversorgung der Stufen 2 bzw. 3 gemäß Multi-Tier-Framework der Weltbank realisieren. Die geringe elektrische Leistung trägt bereits dazu bei, den Lebensstandard und Wohlstand in Entwicklungsländern maßgeblich zu fördern: Hiermit lässt sich der Zugang zu Telekommunikation, das Laden von Mobilfunkgeräten, eine umfassende Beleuchtung oder der Betrieb von Computern und Kühlgeräten realisieren. Die so bereitgestellte Energie trägt also dazu bei, Menschen in abgelegenen ruralen Gebieten den Zugang zu elektrischer Energie zu ermöglichen und damit zur Erreichung des von den vereinten Nationen definierten Entwicklungszieles beizutragen.

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