Chancen der Kleinstwasserkraftnutzung- Expertise

Prof. Dr.-Ing. J. Jensen- Universität Siegen

Ausgangssituation


Über Jahrtausende war das Wasserrad wegen seiner robusten und einfachen Technik, dem geringen Wartungsaufwand und der großen Zuverlässigkeit weltweit ein wichtiges Hilfsmittel zur Nutzung der Wasserkraft bei der Erzeugung von mechanischer Energie für Handwerk und Gewerbe.

Die Wasserkraftnutzung bezeichnet dabei die Umwandlung kinetischer Energie (Bewegungsenergie) und/oder potenzieller Energie (Lageenergie) von Wasser in mechanische oder elektrische Energie.

Die Nutzung der Wasserkraft als saubere, emissionsfreie Energie hat auch in Deutschland eine lange Tradition. Mit der Entwicklung von verschiedenen Turbinentypen und dem Bau von Wasserkraftanlagen zur Erschließung der mittleren bis großen Wasserkraftpotenziale wurde die Wasserkraftnutzung ein wichtiger Bestandteil der Energieversorgung.


Durch die flächendeckende Elektrifizierung in den Ballungsräumen Mitteleuropas zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Wasserräder nahezu vollständig verdrängt; elektrische Energie zum Antrieb von Maschinen konnte nun über größere Entfernungen transportiert werden und die Leistung war weder jahreszeitabhängig noch an örtliche Gegebenheiten gebunden. In der Folge gerieten allein in Deutschland mehrere tausend Standorte von Kleinstwasserkraftanlagen im Leistungsbereich von 2 bis 15 kW in Vergessenheit. Diese Standorte könnten allerdings relativ einfach wieder reaktiviert werden, wenn eine entsprechende wirtschaftliche Technik zur Verfügung steht.


Die regenerativen Energieträger werden aufgrund der rasanten Verknappung von fossilen Brennstoffen zukünftig einen immer größeren Beitrag zur weltweiten Energieversorgung liefern. Das Gesetz über erneuerbare Energien (EEG) soll den Anteil von Wind-, Wasser- und Sonnenenergie an der Stromerzeugung in Deutschland bis 2010 auf mindestens 12,5 Prozent steigern. Weiterhin leistet die Nutzung der regenerativen Energien durch die eingesparten CO2-Emissionen einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz.


In vielen Entwicklungsländern gibt es keine flächendeckende Versorgung mit elektrischer Energie. Die Nutzung der regenerativen Energie „Wasserkraft" stellt in Regionen mit hohem Wasserkraftpotenzial (z.B. in Äthiopien) eine Möglichkeit zur Verbesserung der Energieversorgung dar. Die Lebenssituation der Menschen wird ebenso verbessert, wie die Nachhaltigkeit und der Schutz der Umwelt; Ressourcen werden geschont und Emissionen vermieden. Die Übernutzung der traditionellen Energieträger führt in vielen Entwicklungsländern durch Abholzungen zu erheblichen Bodenerosionen.

wichtige Forschungsschwerpunkte in den Ingenieurwissenschaften dar. Zahlreiche Forschungsprojekte mit dem Ziel der optimalen Nutzung dieser regenerativen Energien wurden mit Erfolg verwirklicht und führten zu einer beachtlichen Technologie im Bereich der Solar- und Windenergie. Insbesondere im Bereich der Windenergie hat die installierte Leistung in vielen Ländern einen beachtlichen Zuwachs erlebt. Allerdings wird insbesondere im Bereich der Wasserkraftnutzung mit Kleinstkraftwerken

weiteres Entwicklungs- und Installationspotential gesehen.


Weltweit werden derzeit etwa 5 % des Bedarfs an Primärenergie und 20 % des Bedarfs an elektrischer Energie aus Wasserkraft gedeckt. Das nutzbare Potenzial an Wasserkraft ist jedoch etwa fünfmal so groß, so dass Wasserkraftwerke einen wichtigen Beitrag zur weltweiten Energieversorgung leisten können. Viele ehemalige Standorte von Kleinstwasserkraftanlagen werden derzeit nicht genutzt, weil die Investitionskosten kleiner Anlagen (d.h. Anlagen mit 2 bis 20 kW) bisher keine wirtschaftliche Nutzung der Wasserkraft ermöglichen.


Um dieses ungenutzte Potenzial auszuschöpfen zu können, wird eine preiswerte und robuste, d.h. „wirtschaftliche" Technik benötigt. Der Betrieb solcher Kleinstwasserkraftanlagen stellt dann für viele Standorte an Flüssen mit kleinen Wasserkraftpotenzialen sowohl in Deutschland als auch weltweit, eine ideale Lösungsmöglichkeit zur Verbesserung der Energieversorgung mit regenerativen

Energieträgern dar.

Stand der Technik und Stand der Wissenschaft

In den letzten Jahren konnte eine gewisse „Renaissance des Wasserrades" beobachtet werden (fwu-Workshops „Renaissance des Wasserrades" 2002 und „Nutzung kleinster Wasserkraftpotenziale <10 KW" 2006). Kleine, innovative Firmen haben sich einzelner Komponenten (Generatoren) oder spezieller Bauformen (z.B. TURAS-Wasserrad, Wasserkraftschnecke) angenommen und bauen moderne Wasserräder für den Neueinsatz oder die Restauration von alten Mühlenstandorten.

Für die wirtschaftliche Nutzung kleiner und kleinster Wasserkraftpotenziale im Leistungsbereich einiger Kilowatt (d.h. Anlagen mit etwa 2 bis 20 kW) sind dabei hocheffiziente strömungsgünstige Wasserkraftmaschinen erforderlich. Das Wasserrad, insbesondere das oberschlächtige Wasserrad, besitzt dabei bereits aufgrund des Wirkungsprinzips sehr gute Vorraussetzungen.

Abb. 1 zeigt die typischerweise stark ansteigende Wirkungsgradlinie eines oberschlächtigen Wasserrades im Vergleich zu anderen Wasserkraftmaschinen (grün dargestellt). Bereits bei 10% Beaufschlagung liegt der Wirkungsgrad sehr nah am maximal erzielbaren Wirkungsgrad, welcher dann relativ konstant über weiter zunehmende Beaufschlagung verläuft. Der maximale Wirkungsgrad ist dabei von der Fallhöhe, bzw. dem Raddurchmesser abhängig. Die 5 Wirkungsgradverläufe der dargestellten Wasserkraftmaschinen zeigen deutlich, dass für oberschlächtige Wasserräder noch Optimierungspotenzial vorhanden ist.

Das fwu sieht auch bei aktuell gefertigten Wasserrädern Entwicklungs- und Optimierungspotential, welches z.B. in der Durchbildung der Einlaufvorrichtung, im Bezug der optimalen Beaufschlagung unter wechselnder Belastung, Ventilation der Zellen des Wasserrades und darüber hinaus insbesondere im Zusammenspiel mit einer geeigneten Kopplung und Implementierung des Generators besteht.

 

Im Bezug auf die genannten hydraulischen Untersuchungsbereiche erscheint das Konzept des„Segmentkranz-Wasserrades" von Herrn Dipl.-Ing. Drews durch den modularen Aufbau und das dafür angewandte Herstellungsverfahren als ein sehr sinnvolles Konzept und ebenso als besonders geeignete Ausgangsbasis für die Herstellung und Untersuchung von Optimierungsvarianten im Rahmen eines möglichen gemeinsam zu beantragenden Forschungsprojektes. Durch passgenaue und kostengünstige Vorfertigung von biegesteif verschweissten Edelstahlkörpern in Kleinserie und Einzelanfertigung per CAD-gesteuertem Laserautomat können gewünschte Modelvarianten und Anpassungen im Rahmen der Untersuchungen effizient hergestellt und getestet werden.

Herr Drews ist darüber hinaus nicht nur an der hydraulischen Weiterentwicklung und Optimierung von oberschlächtigen Wasserrädern interessiert, sondern er hat ebenfalls erkannt, dass ein wesentlicher Aspekt der Effizienzsteigerung und somit der Gesamtwirtschaftlichkeit einer Wasserkraftanlage im Bereich der Generatortechnik bzw. im Zusammenspiel dieser Wirkkomponenten liegt. Gelingt seine Zielsetzung, ein möglichst effizientes System Wasserrad-Kraftübertragung- Generator als zukünftiges Merkmal seiner Wasserkraftanlagen anbieten zu können, dann kann das modulare Segementkranz-Wasserrad deutlich zur Vergrößerung der installierten Leistung von Wasserrädern und der Erschließung weiterer potenzieller Wasserkraftreserven durch Reaktivierung vorhandener Altstandorte sowie Modernisierung laufender Wasserkraftanlagen beitragen.