Die fischfreundliche Niederdruckturbine in Kooperation mit FishFlow Innovations

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Heinz Bachmeier
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1 Die fischfreundliche Niederdruckturbine in Kooperation mit FishFlow Innovations Bayerisches Wasserkraft Forum Würzburg, 17.Juli 2013 Thomas Grünig Pentair Flow Technologies FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS

2 Motivation: Umweltverträgliche Nutzung der Wasserkraft Bedrohte Aalpopulation durch reduzierte Durchgängigkeit der Fliessgewässer Glass eel sea to river Sargossasee Silver eel river to sea PENTAIR 2 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

3 Motivation: Umweltverträgliche Nutzung der Wasserkraft Nutzung der Wasserkraft in Fliessgewässern, bei gleichzeitigem Schutz der Aal- und Schuppenfischpopulation WRRL 2013, & EU-AalschutzVO: Vorgaben zur Durchgängigkeit von Fliessgewässern Wasserkraftnutzung unter Berücksichtigung der Fischpopulation Vorgaben zu Fischabstiegsanlagen, früher Kür heute Pflicht (Source: Witteveen + Bos) PENTAIR 3 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

4 Motivation: Umweltverträgliche Nutzung der Wasserkraft Gängige Optionen: Konventionelle Turbine + Fischtreppe gute Ergebnisse stromaufwärts, nur bedingt wirksam stromabwärts Rechenanlagen vor Turbineneintritt Mortalität > 50% (Ergebnis verschiedener Studien) Neuer Lösungsansatz: Fischfreundliche Turbine in Kombination mit Fischaufstiegstreppe (Stromaufwärts) PENTAIR 4 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

5 Motivation: Umweltverträgliche Nutzung der Wasserkraft Typisches Niederdruckturbinenkraftwerk Fallhöhe <10[m] rel. grosser Volumenstrom } Hohe spezifische Drehzahl Niederdruck Propellerturbine VERTICAL KAPLAN TURBINE HORIZONTAL KAPLAN/BULB TURBINE PENTAIR 5 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

6 Fischfreundliche Turbine Anforderungsprofil: 99 % unbeschadeter Durchgang von Aalen > 96 % unbeschadeter Durchgang von Schuppenfischen keine Einbussen im Wirkungsgrad gegenüber konventionellen, modernen Niederdruckturbinen PENTAIR FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE 6

7 Wie wird eine Turbine fischfreundlich? FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS

8 Was ist anders an der fischfreundlichen Hydraulik? 1. Schritt: theoretische Betrachtung zur Optimierung des Propellerdesigns P b n b Ω L = min, 1 6π v w p f = e ( u/ u ) 2 c 1 Mortality = P b P f Mit: P b n b Ω L v w = theoretische Kollisionswahrscheinlichkeit = Anzahl Propellerblätter = Drehzahl = Fischlänge = Durchfliessgeschwindigkeit Theoretische Kollisionswahrscheinlichkeit bei Fischdurchgang P f = Wahrscheinlichkeit einer fatalen Kollision u = Tangentialgeschwindigkeit u c = kritische Tangentialgeschwindigkeit PENTAIR 8 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

9 Was ist anders an der fischfreundlichen Hydraulik? Konventionellen Hydraulik Fischfreundlichen Hydraulik Vorderkanten der Propellerblätter schraubenförmig nach vorne gezogen. Kollisionsenergie reduziert (Verhältnis Sin25/Sin90) PENTAIR 9 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY PUMP

10 Was ist anders an der fischfreundlichen Hydraulik? Konventionelle Hydraulik Fischfreundliche Hydraulik Geringe Schaufelzahl 2- oder 3 Blattpropeller Relativ grosser freier Durchgang PENTAIR 10 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY PUMP

11 Was ist anders an der fischfreundlichen Hydraulik? Stark abgerundete Propellervorderkanten und Leitschaufeleintrittskanten gleichmässiges Druckprofil durch die Längsachse der Turbine kavitationsfest über den gesamten Betriebsbereich Leitschaufelvorderkante 25 Propellervorderkante 90 PENTAIR 11 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY PUMP

12 Was ist anders an der fischfreundlichen Hydraulik? Ergebnis: optimiertes Propellerdesign Durchströmrichtung Drehrichtung PENTAIR 12 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

13 Theoretische Verringerung der Fischmortalität Qualitative Betrachtung der Mortalitätswahrscheinlichkeiten PENTAIR 13 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

14 Leistungsmerkmale Fischfreundliche Turbine Technische Spezifikation Turbinentyp: Niederdruckturbine (Kaplanturbine, nq ) Propellerzahl: 2 und 3 - Blattpropeller Einbauweise: horizontal oder vertikal Generator: permanent Magnet, direkt angetrieben z.zt. verfügbare Baugrößen: Turbinenleistung: Fallhöhe: Durchflusskapazität: Nenndurchmesser: Regelung: 50kW 5 MW 1,5 m 8 m 1,5 150 m3/s 0,8 m 5 m automatisch geregelte Leitschaufelverstellung & Drehzahlregelung FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS PENTAIR

15 Labor- und Feldtests FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS

16 Labortest fischfreundliche TURBINE Leistungstests im Testlabor PENTAIR FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE 16

17 Labortest fischfreundliche TURBINE Prototyp: (800[mm] Eintrittsdurchmesser) Full Scale: Diameter: 4 [m] Design Head: 4 [m] Design Flow: 100 [m³/s] Speed: [rpm] Design Power: 3,6 [MW] Spezifikation Testturbine Diameter: 0,8 [m] Design Head: 3,8 [m] Design Flow: 3 [m³/s] Speed: [rpm] Design Power: 100 [kw] PENTAIR 17 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

18 Labortest fischfreundliche TURBINE Gemessener Wirkungsgradverlauf der fiischfreundlichen Turbine vergleichbar mit modernen, konventionellen Niederdruckturbinen PENTAIR 18 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

19 Hydraulischer Wirkungsgrad fischfreundliche Turbine Testergebnisse übertragen auf Originalgrösse Beispiel: Fairbanks Nijhuis Niederdruckturbine Nenndurchmesser 4 m PENTAIR FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE 19

20 Hydraulischer Wirkungsgrad fischfreundliche Turbine Keine Wirkungsgradeinbussen gegenüber modernen konventionellen Niederdruckturbinen PENTAIR 20 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

21 Feldtest - Aalmortalität Nachweis der Fischfreundlichkeit der Turbine PENTAIR 21 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

22 Feldtest - Aalmortalität Unabhängige Prüforganisation: Institute for Marine Resources & Ecosystem Studies, (IMARES) Wagenigen, NL FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS PENTAIR

23 Testaufbau fischfreundliche Turbine Testergebnis: Aale: 100% unbeschadet FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS PENTAIR

24 Ergebnisse - Unabhängiger Test Quelle: Institute for Marine Resources & Ecosystem Studies,Wagenigen, NL October 2012 PENTAIR 24 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

25 Test mit fischfreundlicher Hydraulik (Pumpe) Test results: >97% Fish unharmed, 100% Eel (source: VisAdvies report VA2009_19) PENTAIR FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY PUMP 25

26 Aktuelles Projekt FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS

27 Aktuelles Projekt Umrüstung Dreier konventioneller Turbinen auf fischfreundliche Hydrauliken Aktuelle Turbinenleistung: 3 Niederdruckturbinen, je 3,6 MW PENTAIR FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE 27

28 Aktuelles Projekt Umrüstung Dreier konventioneller Turbinen auf fischfreundliche Hydrauliken PENTAIR 28 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE

29 Aktuelles Projekt in der Umsetzung Umrüstung einer vorhandenen Turbine Leistungsdaten: Diameter: 4000 [mm] Design Head: 4,0 [m] Design Flow: 100 [m³/s] Speed: [rpm] Design Power: 3,6 [MW] Hydr. Wirkungsgrad: 94 [%] PENTAIR FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY TURBINE 29

30 Referenzprojekte der fischfreundlichen Hydraulik (Pumpe) FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS

31 Referenzprojekte H.H. VAN SCHIELAND EN DE KRIMPENERWAARD Hebewerk Verdoold Hydraulictyp: VPF Fördervolumen: m³/h Förderhöhe: 5,5 mwc Drehzahl: 333 rpm Wirkungsgrad: 82 % PENTAIR 31 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY PUMP

32 Referenzprojekte WATERNET Umbau Hebewerk Schleuse Mijndense Existierende konventionelle Hydraulik mit Wirkungsgrad 64% ersetzt durch fisch freundliche hydraulic mit 74.7% Wirkungsgrad! Sicherstellung der Vorgaben der Fischereibehörden bezüglich Fischmortalität Hydraulictyp: VPF Fördervolumen : m³/h Förderhöhe : 1,6 mwc Drehzahl : 333 rpm PENTAIR 32 FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY PUMP

33 Referenzprojekte WATERSCHAP RIVIERENLAND Hebewerk de Nieuwe Horn, NL ausgeliefert September 2012 Ausführung mit Betongehäuse Pump type: VPF Kapazität : 2 x m³/h (300 m³/min) Förderhöhe: 4.2 mwc Drehzahl : 261 rpm Wirkungsgrad: 82,6 % PENTAIR FAIRBANKS NIJHUIS FISH-FRIENDLY PUMP 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Thomas Grünig Pentair Fairbanks Nijhuis FLOW TECHNOLOGIES FAIRBANKS NIJHUIS

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