1-2013 - Public Security

Fluss-Strom: Strom aus kinetischer Wasserkraft
Anders als seine traditionellen Vorläufer wie die Hammermühlen, die an Elbe und
Donau verbreitet waren, wandelt das Kleinst-Wasserkraftwerk kinetische Energie nicht
in mechanische (Pump-) Energie, sondern in elektrischen Strom. Aufgrund zusätzlicher
Kosten, aber insbesondere auch für eine kommerzielle Nutzung der elektrischen Energie,
muss das Gerät eine Mindestleistung erbringen, um rentabel und sinnvoll arbeiten
zu können. Die Rentabilität wurde über den Zielpreis von 24 € Cent / kWh und eine Amortisationsdauer
von 4 Jahren definiert – unter der Annahme von Eigenleistung wurden Installationskosten
nicht berücksichtigt. (24 Cent entsprechen aktuell auch den Kosten
einer Kilowattstunde inkl. Netz und Steuern für einen Privathaushalt in Deutschland.)
Die untere Leistungsgrenze von 1,5 kW ist zunächst nur über einen sinnvollen Anwendungsfall
definiert. Es muss gezeigt werden, dass sich diese Leistung mit einer kostengünstigen
Anlage auch bei „normalen“ Fließeigenschaften umsetzen lässt. Die kinetische
Energie eines Flusses ergibt sich aus der durchströmten Fläche, der Dichte des
Wassers und der Fließgeschwindigkeit. Die Fließgeschwindigkeit geht in diese Formel
mit der dritten Potenz ein. Diese kinetische Energie kann nach der Betz‘schen Formel
analog zum Wind nur zu knapp 60% genutzt werden. Bei einem Rotordurchmesser von
1,0 m und einer mittleren Fließgeschwindigkeit von 1,5 m/s (5,4 km / h) ergibt sich eine
nutzbare kinetische Energie von ca. 1 kW. Da selbst schiffbare Flüsse wie die Elbe
oder der Rhein außerhalb der Schifffahrtsrinne bei Niedrigwasser oft nicht tiefer als 2
m sind, kann der Rotordurchmesser nicht wesentlich größer als 1 m gewählt werden.
Um die Ziel-Leistung auch bei möglichst geringen Fließgeschwindigkeiten trotzdem zu
erreichen, muss also ein Diffusor, eine umgekehrte Düse, verwendet werden. Durch den
erzeugten „Sog“ (siehe Grafik) wird die Kraft auf dem Rotor optimiert.
Die Wirkung des Diffusors ist über das Verhältnis von Durchmesser an Eingangsund
Ausgangsseite definiert. Da der Anstellwinkel im Diffusor 7% zur Vermeidung von
Strömungsabriss nicht überschreiten soll, ist die Effizienz über die Länge limitiert. Mit
Blick auf hohe Transportkosten sollte das Gerät kompakt gehalten werden, so dass zu
einem technischen Trick gegriffen wurde: Der Diffusor ist in drei Teilen gebaut, die ineinander
gesteckt sind und deren Übergang durchströmte Spalte bilden. Durch den Strömungsfluss
im Übergang kann der Anstellwinkel erhöht und der Diffusor bei gleichem
Durchmesser auf der Ausgangseite wesentlich kürzer gehalten werden. Zugleich erlaubt
diese Bauweise, die drei Kunststoff-Teile des Diffusors kostengünstig aus einem Stück
im Roto Guss Verfahren herzustellen.
Auch wenn bei der Entwicklung die Empfehlungen der Internationalen Energieagentur
bzgl. maximaler Rotorumdrehung und die Vorgaben des Deutschen Wasserrechtes
bzgl. der verwendeten Materialien eingehalten wurden, so verlaufen die Genehmigungsverfahren
in Deutschland (noch) sehr unterschiedlich. Die Dauer zur Erlangung einer
Genehmigung (für einen befristeten Testbetrieb) variiert in Deutschland von vier Wochen
bis aktuell vier Monate.
Die kinetische Wasserkraft erlaubt wie Photovoltaik und Windenergie die Stromerzeugung
aus erneuerbaren Quellen. Die Grundlast-Fähigkeit der Wasserkraft macht sie
zu einer echten Alternative für dezentrale Energieerzeugung – nicht nur in den Ländern
mit niedriger Elektrifizierungsquote. Seit September 2011 laufen erste Referenzanlagen.
Peru hat diese Kleinst-Wasserkraftwerke im Mai 2012 als mögliche Technologie in seinen
nationalen Energieplan aufgenommen hat. In Deutschland wurde im Juni 2012 eine
erste kommerzielle Installation von 30 Turbinen im Rhein genehmigt.
Vor der Turbine ist ein Fischabweiser monitert
Rhein gesetzt und wie eine Boje oder ein Ponton verankert
werden kann. Die Partner haben einen Standort im Rhein in
Bonn identifiziert, an dem die gesamte gewonnene regenerative
Energie in eine Ladestation für Elektrofahrzeuge und
der Überschuss Strom in das lokale Stromnetz von SWB
Energie und Wasser eingespeist werden.
Die Turbine besteht aus einem aus Polyethylen gefertigten
Schwimmkörper. Dieser ist 147 cm lang, 174 cm breit
und 198 cm hoch. Das Gewicht der Turbine beträgt leer ca.
340 kg. Zur Installation wird die Turbine auf das Wasser gehoben
und dann wird der Schwimmkörper solange mit Wasser
gefüllt bis Diffusor mit Rotor vollständig untergetaucht
ist. Die optimale Schwimmlage ist damit erreicht.
Die Turbine selbst benötigt keine externe Stromversorgung,
so dass nur ein stromführendes Kabel an Land verlegt
werden muss. Für den Fall, dass dieses Stromkabel
reißt oder beschädigt wird, schaltet eine Sicherung den Generator
ab. Die Rotorblätter drehen zwar weiter, aber es
fließt kein Strom mehr, eine Überhitzung sowie die Gefahr
des Stromschlags ist damit ausgeschlossen. Der Generator
befindet sich auf der Rotorachse und liegt damit beim
Betrieb der Turbine permanent unter Wasser. Durch diese
Konstruktion wird erreicht, dass er vom vorbeifließenden
Wasser des Rheins permanent gekühlt wird.
Zweifache Dichtungen an der Achse schützen den Generator
vor Wassereintritt. Der Rotor selbst besteht aus drei
Flügeln. Im Interesse eines besseren Fischschutzes, dreht
sich der Generator langsam. Bei voller Auslastung kommt
er theoretisch auf eine maximale Drehzahl von 230 Umdrehungen
pro Minute Bei einer Strömungsgeschwindigkeit
des Rheins von 1 - 1,5 m/s ist dort mit einer Rotorgeschwindigkeit
von maximal 67 bis 111 Umdrehungen pro Minute
zu rechnen. Da sich alle beweglichen Teile der Turbine
unter Wasser befinden, geht von der Turbine im ordnungsgemäßen
Betrieb keine Lärmbelästigung aus.
Die Partner streben an, die Turbine bis Ende des Jahres
im Rhein zu installieren. Ab 2013 wird dieses Pilotprojekt
das Zusammenspiel von Elektromobilität und lokal erzeugtem
Strom aus Wasserkraft zeigen und auch untersuchen,
wie kleine, dezentrale Erzeugungsanlagen ins Stromnetz
integriert werden können. ➛
ENERGIE & ROHSTOFFE 2-2012 / 1-2013 57