Vom River Rider zum Fluss- Strom Flottillenkraftwerk

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1 Seite 1 Vom River Rider zum Fluss- Strom Flottillenkraftwerk SIBAU Genthin GmbH & Co. KG Dipl. Ing. Heinrich Baumgärtel, Geschäftsführer Dipl. Ing. Stephan Mertens, Projektleiter Forschung und Entwicklung Otto von Guericke Universität Magdeburg Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt, Institut für elektrische Energiesysteme FACHFORUM FLUSS-STROM PLUS Magdeburg

2 Seite 2 Inhalt 1. Firmenvorstellung SIBAU Genthin GmbH & Co. KG 2. Die Idee der Flottille 3. Forschungsvorhaben Flottillenkraftwerk 4. Laufende Prototypentwicklung 5. Kleine Leistungseinheit RiverRider Solo S 6. Generatorentwicklung für Schwimmende Wasserräder

3 Seite 3 Firmenvorstellung SIBAU Genthin GmbH und Co. KG 90 Mitarbeiter Berechnung Konstruktion Fertigung Stahlwasserbau, Stahlbrückenbau, Stahlanlagenbau und Stahlsonderbau Eigener Schiffsanleger Montage Mitglied im Netzwerk Fluss-Strom seit über 10 Jahren

4 Seite 5 Firmenvorstellung Stahlwasserbau Wir machen Schifffahrt möglich Montage Schleusentor (Ahsen) Montage Schleusentor (Dorsten)

5 Seite 6 Firmenvorstellung Stahlbrückenbau Eisenbahnbrücke Penzberg über den Säubach Clevertorbrücke Hanover über die Leine

6 Seite 7 Firmenvorstellung Stahlanlagenbau Asphaltmischbehälter

7 Seite 8 Firmenvorstellung Stahlsonderbau Forschung Testläufe mit unterschiedlichen Strömungswandlern Mitentwicklung des RIVER RIDER Turbinenentwicklung für Gierseilfähren Wir betreiben den Fluss-Strom- Forschungsversuchsträgers VECTOR Multifunktionsträger für Schweißroboter

8 Seite 9 Idee Idee und Ausgangspunkt der Entwicklung eine einfache robuste Schiffsmühle RR solo: 8m x 5m 5t Wasserrad B 4m x D 2m 2 kw Leistung

9 Seite 10 Idee RR Tandem: 12m x 7,3m 12t Auslegung: 2 Wasserräder B: 5,7m x D 2,5m Mit je 4 kw Leistung Tatsächliche Leistung: 5kW!

10 Seite 11 Motivation Eine schwimmende Kleinwasserkraftanlage mit gleichen Baugruppen geschickt dem jeweiligen Standort anpassbar in einem Verbund kombinieren. Einzelkosten der einzelnen Anlage durch Mehrfachfertigung senken (Serie) Nutzung von zentraler Verankerung, Treibgutabweisung Netzeinspeisung bzw. Standartisierter Baugruppen dadurch Senkung von Planungskosten und Genehmigung

11 Seite 12 Motivation

12 Seite 13 Forschungsvorhaben SIBAU Genthin GmbH & Co. KG (Verbundkoordinator) Industriepark Am Werder Genthin EAG D-I-E Elektro AG Göschwitzer Straße 56 D Jena Otto-von-Guericke Universität Magdeburg Institut für Strömungstechnik & Thermodynamik, Lehrstuhl Strömungsmechanik & Strömungstechnik Universitätsplatz Magdeburg Verbundprojekt 2 Technologieentwicklung für Flottillenkraftwerke engelke engineering art gmbh Schilfbreite Magdeburg

13 Forschungsvorhaben Seite 14 Flottillenkraftwerks Leistungseinheit 1. Entwurf Masse Schwimmkörper: ca.2000kg Auftrieb: ca: 6200kg Nutzlast: ca: 4000kg Anbauteile/Steuerung: ca: 1000kg Masse für einsetzbare Strömungswandler ca. 3000kg Strömungsgeschwindigkeit am Standort 1,7 m/s Wirkungsgrad hydraulisch (angenommen) 0,35 Durchströmte Fläche 1,75 m² Durchfluss Q 2,975 m³/s Massenfluss m 2975 kg/s Leistung Theoretisch 1,7m/s (2m/s) 4, kw (7kW) Leistung 1,7m/s (2m/s) 1, kw (2,45kW) = ca. 6kW für die Flottille

14 Seite 15 Protoypenentwicklung Leistungseinheit mit: trimmbarem Katamaranschwimmkörpersystem aus beschichteten Stahlblech 8m x 5m, 0,2m Freibord Wasserrad Durchmesser 2,4m, Breite 3,5m, 12 Schaufeln aus Stahlblech, Eintauchtiefe 0,5m mit wartungsfreier Pendelrollenlagerung Maschinensatz Umrichtergeführter Asynchrongenerator Umrichtergeführter Synchrongenerator Spannungsgeführter Bürstenloser DC-Generator Direktangetriebener Transversalflussgenerator mit verteilter Wicklung Leistung 5kW (standortabhängig) Verankerung je nach Standort in der Flusssohle oder am Ufer jeweils 4 Leistungseinheiten an einer Verankerung bei 2 m/s

15 Seite 16 Protoypenentwicklung Finale Konstruktion LEF 8,5m x 4,8m Wasserrad LEF 3,5m x 2,4m

16 Seite 17 Protoypenentwicklung Auftrieb bei 200mm Freibord: 7,425 m3 7400kg bei 0mm 9300kg Eigengewicht aktuelle Konfiguration: 5300kg

17 Seite 18 Protoypenentwicklung Leistung je Einheit 1kW 5kW Leistung pro Kraftwerk Je nach Ausbaustufe 10 kw -

18 Seite 20 Forschungsvorhaben Modulares Flottillenkraftwerk mit Raute als kleinste Einheit pro Verankerung Leistung pro Raute Je nach Fließgeschwindigkeit 4 kw 12kW

19 Seite 21 Forschungsvorhaben Skalierbarkeit des Flottillenkraftwerk je nach Platz Leistung pro Kraftwerk Je nach Ausbaustufe 4 kw.

20 Seite 22 Protoypenentwicklung Elektrische Verschaltung A B C Stichnetz/ Strahlennetz Ringnetz mit zwei Uferverbindungen. symmetrisch Ringnetz mit zwei Uferverbindungen, symmetrisch, 2 Systeme D E Ringnetz mit einer Uferverbindung

21 Seite 23 Protoypenentwicklung LE 4 LE 3 WLAN-Bereich LE 2 LE 1 - Master Fernüberwachung/-steuerung) Flottillenkraftwerk (auf generatorischer Ebene)

22 Seite 24 Forschungsvorhaben Prototyp 1 Phase auf der Elbe

23 Seite 25 Protoypenentwicklung Prototypenstandort der Flottille am Vectorstandort auf der Elbe

24 Seite 26 Protoypenbau Schwimmkörperfertigung

25 Seite 27 Protoypenbau Wasserradfertigung

26 Seite 28 Protoypenentwicklung Probewasserrad im Massstab 1:2 studentische Arbeit Außendurchmesser : 1,5 m ; Welle rechnerisch dimensioniert Schaufelbreite: 1,4 m ; Konstruktion über FEM-Analyse Eintauchtiefe: 0,125 m Worst-Case-Szenario: cc WW = 22, 33 ; vv 22, 55 mm/ss

27 Seite 29 Protoypenentwicklung Statische Belastungen Wasserrad wird stillstehend, mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten, angeströmt Kraftmessgerät erfasst die Anströmungskraft FF ww Vergleich mit theoretischen Annahmen und Ermittlung des Strömungskoeffizienten cc WW Leistungsmessungen Wasserrad wird über ein Kettengetriebe mit einem Motor/Generator verbunden Leistungserfassung PP mmmmmmm bei unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten Leistungserfassung bei verstellten Anströmungswinkel der Schaufel Vergleich mit theoretischen Annahmen und Ermittlung des Wirkungsgrads η

28 Seite 30 Protoypenentwicklung Ergebnisse kleines Wasserrad c_w-wert [-] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Phase 1: Phase 2: Phase 3: Gemittelte Werte der statischen Messreihen Anströmungskraft [N] cc ww = 1,5 im relevanten Bereich cc ww = 1,5 aus CFD-Simulation Anströmungsfläche wird als konstant angenommen MSC O. Cleynen 0,0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Fahrgeschwindigkeit v [m/s] 0 c_w,mittel [-] Durchs. c_w in Ph. 1 Fw bei konst. c_w=1,5 [N] Fw bei konst. c_w=1,3 [N] Fw,Mittel [N]

29 Seite 31 Protoypenentwicklung Ergebnisse kleines Wasserrad Leistungkurven bei Schaufelwinkel 0 Angenommener cc ww = 1,5 Leistungskurve ist eine Parabel Leistung [Watt] Theo. v = 1,21 m/s Gemessen v = 1,21 m/s Theo. v = 1,61 m/s Gemessen v = 1,61 m/s Theo. v = 1,86 m/s Gemessen v = 1,86 m/s Theo. v = 2,17 m/s Gemessen v = 2,17 m/s Poly. (Gemessen v = 1,21 m/s) Poly. (Gemessen v = 1,61 m/s) Poly. (Gemessen v = 1,86 m/s) Poly. (Gemessen v = 2,17 m/s) Schnittpunkte mit der Nulllinie liegt vor den Theoretischen Gemessene Leistungen sind deckend mit den Theoretischen Drehzahl Wasserrad [U/min]

30 Seite 32 Protoypenentwicklung Ausstellung des RiverRider Solo S in der Laborhalle Verwendung des Testwasserrades auf einer skalierten Leistungseinheit in Neugattersleben. Test des Transversalflussgeneratorkonzeptes im Feldversuch Feldversuch mit Wasserrad und Rechen bei erhöhtem Wasserpflanzenaufkommen Test Wasserradanlage ohne Raushebevorrichtung 4,5m x 2,5m und damit im montierten Zustand ohne Sondergenehmigung transportierbar

31 Seite 33 Ausblick Fertigstellung der Leistungseinheiten in 10/2017 Installation des Prototypen im November auf der Elbe mit 3 Leistungseinheiten Fertigung optimierte 4 Leistungseinheit 03/2018 mit Transversalflussgenerator Installation kleine LEF im November auf der Bode

32 Seite 34 Danke Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Weiter geht`s mit Schalli