Schneider, Silke (2016)
Funktionsanalyse und Wirkungsoptimierung einer Wasserdruckmaschine.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Seit mehr als 2.000 Jahren nutzen die Menschen die Wasserkraft: Zuerst zum Antrieb von Schöpfrädern zur Bewässerung von Feldern, später als Antriebsquelle für Mühlen, Säge- oder Hammerwerke und seit ca. 150 Jahren vorrangig zur Elektrizitätserzeugung. Trotz dieser langen Nutzungshistorie fehlen für den Bereich der kleinen Wasserkraft mit niedrigen Fallhöhen erprobte Technologien, welche sowohl hydraulische und wirtschaftliche Anforderungen erfüllen als auch eine hohe ökologische Verträglichkeit hinsichtlich der Durchgängigkeit für Sediment sowie des Schädigungsrisikos für Fische aufweisen. Aus diesem Grund wird in jüngster Zeit verstärkt auf die Entwicklung neuer Wasserkraft-Technologien gesetzt. Eine vielversprechende Entwicklung ist die Wasserdruckmaschine, deren Wirkungsprinzip auf der Nutzung des Unterschieds der hydrostatischen Wasserdrücke auf der Ober- und Unterwasserseite des Energiewandlers beruht.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Bewertung, ob die Wasserdruckmaschine einen geeigneten Energiewandler für den Einsatz an Standorten mit geringen Fallhöhen im Bereich von 0,5 bis 2,5 m darstellt. Hierzu wurde die Maschine erstmalig in einem halbtechnischen Maßstab im Labor untersucht und weiterentwickelt. Der Fokus der Untersuchungen lag sowohl auf der hydraulischen Optimierung der Maschineneigenschaften als auch auf der Analyse ihrer ökologischen Verträglichkeit für den potentiellen Einbau in einem Fließgewässer. Darüber hinaus wurde die bisherige theoretische Beschreibung des Wirkungsprinzips der Maschine um eine Theorie zur Abbildung der an einer Wasserdruckmaschine auftretenden Verluste erweitert.

Zur Betrachtung des Einflusses verschiedener Randbedingungen und Maschinenparameter wurden hydraulische Untersuchungen in einer Laborrinne der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Diese fanden im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes „Development of hydropower converters for very low head differences – Hylow“ statt. Auf Basis der Versuche wurden der Einfluss verschiedener Parameter auf das Maschinenverhalten sowie deren Wirkungszusammenhänge analysiert und eine aus hydraulischer Sicht optimierte Wasserdruckmaschinengeometrie identifiziert. Dabei wurden mechanische Wirkungsgrade von bis zu 70 % erreicht, wobei die Maschine vor allem im Teillastbereich sehr gute hydraulische Eigenschaften zeigte. Ergänzend wurden den Laboruntersuchungen erste hydraulische Beobachtungen an Prototyp-Anlagen im Naturmaßstab gegenübergestellt.

Die optimierte Maschinengeometrie ist charakterisiert durch diagonal angeordnete Schaufeln, welche gegenüber der Gerinnebreite eine Breite im Verhältnis von 1:2 aufweisen. Durch diese Konfiguration können Verluste im Bereich des Ein- und Austauchens der Schaufeln sowie durch Widerstände bei der Schaufelbewegung durch das Wasser minimiert werden. Es zeigte sich, dass an den Schaufelkanten Gummidichtungen angebracht werden sollten, um Spaltverluste auf ein Minimalmaß zu reduzieren. Des Weiteren sollte die Maschine insgesamt entsprechend des Entwurfsdurchflusses ausreichend groß dimensioniert werden, um die Drehzahl und damit die Verluste möglichst gering zu halten. Ebenfalls gilt zu beachten, dass die Wasserdruckmaschine so eingebaut wird, dass zum einen die Unterwasserstände relativ dicht an der Nabenunterkante anstehen und zum anderen durch Steuerung der Maschinendrehzahl der Oberwasserstand möglichst auf Nabenoberkante eingestellt werden kann.

Auf Grundlage der Ergebnisse der physikalischen Modellversuche in der Laborrinne konnten modellspezifische Beiwerte zur Beschreibung der Verluste aus dem Schaufelwiderstand (cD-Werte) bestimmt und die theoretische Beschreibung der Wasserdruckmaschine um Verlustansätze erweitert werden. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen der ergänzten Theorie und den Messwerten.

Hinsichtlich der Auswirkungen der Wasserdruckmaschine auf die Ökologie des Fließgewässers galt es, das mögliche Schädigungspotential für Fische, die Durchgängigkeit von Sediment sowie das Erfordernis eines Schutzes der Maschine gegenüber Sediment und Treibgut zu bestimmen. Zur Betrachtung des Einflusses der Maschine auf das Verhalten von Fischen wurden Beobachtungen auf Basis ethohydraulischer Ansätze in einer Laborrinne der Technischen Universität Darmstadt herangezogen. Hierbei zeigte sich, dass von der Maschine keinerlei Scheuwirkung auf die Fische ausging. Mittels Fisch-Dummies wurde eine erste Abschätzung des Schädigungspotentials vorgenommen, welche auf ein erhöhtes Risiko im Eintauchbereich der Schaufeln in den gekrümmten Bodeneinbau hinwies.

Weder auf Grundlage der vorliegenden Ergebnisse der Fischbeobachtungen in der Laborrinne noch unter Berücksichtigung der bislang durchgeführten fischökologischen Untersuchungen an einer Prototyp-Anlage in Bulgarien konnte eine abschließende Aussage zum Schädigungspotential der Wasserdruckmaschine getroffen werden. Entsprechend wird die Errichtung von dem Stand der Technik entsprechenden Schutzeinrichtungen (z.B. mechanische Barriere) empfohlen. Zudem wird die Installation eines Rechens in Hinblick auf den Schutz der Wasserdruckmaschine vor größerem Treibgut sowie Grobkies oder Steinen als sinnvoll erachtet.

Eine erste Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der Wasserdruckmaschine erfolgte auf Basis der Kennwerte einer in Deutschland installierten Prototyp-Anlage. Aufgrund spezifischer Standortgegebenheiten ist jedoch keine allgemeingültige Aussage zu den Investitions- und Unterhaltungskosten möglich.

Zusammenfassend kann die Wasserdruckmaschine auf Grundlage der im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Einflussfaktoren aus hydraulischer und ökologischer Perspektive als ein geeigneter Energiewandler für den Einsatz an Kleinwasserkraftstandorten mit niedrigen Fallhöhen eingestuft werden.

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