Wasserkraft ohne Aufstau Konzepte und deren Grenzen - IHS ...
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<strong>Wasserkraft</strong> <strong>ohne</strong> <strong>Aufstau</strong><br />
<strong>Konzepte</strong> <strong>und</strong> <strong>deren</strong> <strong>Grenzen</strong><br />
Albert Ruprecht<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Klassische <strong>Wasserkraft</strong><br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
H<br />
Klassische <strong>Wasserkraft</strong> (mit<br />
<strong>Aufstau</strong>) nützt die potenzielle<br />
Energie (Fallhöhe) aus<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Nachteile:<br />
• <strong>Aufstau</strong>, kein frei-fließendes Gewässer<br />
• Problem mit Durchgängigkeit<br />
<strong>IHS</strong><br />
<strong>Wasserkraft</strong> <strong>ohne</strong> <strong>Aufstau</strong><br />
Es gibt viele Projekte / Ideen<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Verschiedene Beispielkonzepte<br />
Quelle: Wasser- <strong>und</strong> Elektrizitätswerk der Gemeinde Buchs SG<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
www.river-energy.com/<br />
http://www.energiewerkstatt.at<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
River Star<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Tocardo Aqua 2800<br />
Amazone Aquacharger<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Quelle: Fluss-Strom<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Quelle: www.hgenergy.com<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Strömungskraftwerk<br />
• Strömung wird zum Antrieb einer Turbine <strong>und</strong> damit zur<br />
Stromproduktion genutzt<br />
• Kein Damm<br />
• “Windkraftanlage” unter Wasser<br />
<strong>IHS</strong><br />
Ausnutzung der kinetischen Energie<br />
Entscheidende Frage:<br />
Welche Leistung kann erzielt werden<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Leistung von Strömungsturbinen<br />
Strömungsturbinen nützen nur die kinetische Energie der<br />
Strömung, keine Fallhöhe.<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Kinetische Energie<br />
P = ⋅<br />
1 3<br />
2 ⋅ρ<br />
⋅ A v<br />
ρ .... Dichte<br />
A ... Propellerfläche<br />
v ... Strömungsgeschwindigkeit<br />
Fluid muss abströmen, deshalb kann nicht die gesamte kinetische<br />
Energie umgewandelt werden.<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Leistung von Strömungsturbinen<br />
Die Turbine kann nur einen Teil der Energie entziehen<br />
Leistungsbeiwert:<br />
P = ⋅c<br />
⋅ρ<br />
⋅ A ⋅ v<br />
Turb<br />
1<br />
2<br />
c p =<br />
p<br />
im<br />
Nach Betz ergibt sich ein maximal möglicher<br />
Leistungsbeiwert von<br />
<strong>IHS</strong><br />
ρ<br />
2<br />
3<br />
P = cP,<br />
ideal ⋅ A ⋅ v = ⋅ A ⋅<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
cP, ideal<br />
<strong>und</strong> damit eine maximale Leistung von<br />
3<br />
entzogene Leistung<br />
Wasser enthaltene Leistung<br />
=<br />
16<br />
27<br />
≈<br />
16<br />
27<br />
0.<br />
59<br />
ρ<br />
2<br />
v<br />
3<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Leistung von Strömungsturbinen<br />
Maximale Leistung:<br />
16 ρ<br />
P = ⋅ ⋅ v<br />
127<br />
422<br />
43<br />
Viel geringere Leistungsdichte als konventionelle <strong>Wasserkraft</strong>werke<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
ρgH<br />
2 ⋅<br />
Q<br />
Q ... Durchfluß<br />
v ... Strömungsgeschwindigkeit<br />
H ... Fallhöhe<br />
ρ .... Dichte<br />
Beispiel:<br />
Eine Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s entspricht einer Fallhöhe<br />
von 12 cm,<br />
=> Größerer Durchfluss, größerer Propeller<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Strömungsgeschwindigkeit ���� Äquivalente Fallhöhe<br />
Äquivalente Fallhöhe in m<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Kinetische Energie<br />
Strömungsgeschwindigkeit in m/s<br />
Nutzbare kin. Energie<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Turbinengröße<br />
Wassertiefe ~ ~ 4 m<br />
<strong>IHS</strong><br />
0.5 m<br />
2 – 2.5 m<br />
1 m<br />
Spiegelschwankungen <strong>und</strong><br />
Welleneinfluss<br />
Boden-Grenzschicht<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Hydraulische Leistung<br />
Leistung in kW<br />
Leistung in kW<br />
Beispiel: Durchmesser 4 m, Strömungsgeschwindigkeit 3 m/s<br />
Leistung: 82 kW<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
<strong>IHS</strong><br />
Theoretische Leistung:<br />
16 ρ<br />
P = ⋅ ⋅ A ⋅<br />
27 2<br />
3<br />
v<br />
Propellerdurchmesser 2 m<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Leistung einer ummantelten Strömungsturbine<br />
Leistungserhöhung durch zusätzlichen Druckunterschied<br />
am Propeller<br />
<strong>IHS</strong><br />
Zusätzlich zur kinetischen Energie steht auch Druckenergie<br />
an der Turbine zur Verfügung<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Leistung einer ummantelten Strömungsturbine<br />
Leistungskurve eines Saugmantels<br />
Δp<br />
P<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
v<br />
v Prop<br />
v<br />
v Prop<br />
Design der Turbine<br />
unterschiedlich zu frei<br />
umströmter Turbine<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Ummantelten Strömungsturbine<br />
Ziel: sehr kompakter<br />
Saugmantel mit<br />
hoher Leistung<br />
Angesetzt:<br />
D Austritt/D Propeller = 3/2<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Ummantelten Strömungsturbine<br />
<strong>IHS</strong><br />
mit Grenzschichtbeschleunigung<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Ummantelten Strömungsturbine<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Geschwindigkeitsverteilung<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Ummantelten Strömungsturbine<br />
<strong>IHS</strong><br />
„Drucksprung“ am Propeller<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Druck<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Ummantelten Strömungsturbine<br />
<strong>IHS</strong><br />
Propellerdurchmesser: 2 m, Austrittsdurchmesser: 3 m<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
mit Saugmantel<br />
<strong>ohne</strong> Saugmantel<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Ummantelten Strömungsturbine<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
mit Saugmantel<br />
D=3m<br />
<strong>ohne</strong> Saugmantel<br />
<strong>ohne</strong> Saugmantel<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Ummantelten Strömungsturbine<br />
Vorteile:<br />
• Höhere Leistung<br />
(Faustformel: bei gutem Saugmantel ca. 10% mehr als freier<br />
Propeller mit großem Durchmesser)<br />
• Kleinerer Propeller<br />
• Höhere Drehzahl<br />
• Unsymmetrische Erweiterung bei geringer Wassertiefe<br />
• Unempfindlicher gegen ungleichförmige <strong>und</strong> schräge Anströmung<br />
Nachteil<br />
Große (teuere) Baustruktur<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Turbinentypen<br />
Hydrodynamische Turbinen<br />
hydrodynamischer<br />
Auftrieb<br />
Hoher Wirkungsgrad erreichbar<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Turbinentypen<br />
Widerstandsläufer<br />
Deutlich niedrigerer Wirkungsgrad<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Quelle: Atlantisstrom<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Turbinentypen<br />
Horizontalachsige Turbinen<br />
6 Turbinen mit 200 kW in New York, East River<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Quelle: Verdant Power<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Turbinentypen<br />
Vertikalachsige Turbinen<br />
analog zur Windkraft<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Vorteile:<br />
Richtungsunabhängig<br />
Generator, Getriebe können über<br />
Wasser angeordnet werden<br />
Nachteil:<br />
Läuft nicht von alleine an<br />
niedrigerer Wirkungsgrad<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
Zusammenfassung<br />
• Leistung von Freistromturbinen proportional zu v 3<br />
• Maximale Leistung 59% der kinetischen Energie<br />
• Ummantelte Turbinen nur geringfügig besser als<br />
Turbinen <strong>ohne</strong> Ummantelung aber mit max. Fläche<br />
• Viel geringer Leistung als WKA mit <strong>Aufstau</strong><br />
• Um auf größere Leistungen zu kommen, braucht man<br />
große Turbinen<br />
• In Deutschland gibt es dazu kaum Standorte<br />
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
<strong>IHS</strong><br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Strömungsmechanik <strong>und</strong><br />
Hydraulische Strömungsmaschinen<br />
Seminar Kleinwasserkraft<br />
Dr. Albert Ruprecht<br />
9.10.2009
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