Wasserkraft ohne Aufstau Konzepte und deren Grenzen

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Rudolf Straub
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1 Wasserkraft ohne Aufstau Konzepte und deren Grenzen Albert Ruprecht Hydraulische

2 Klassische Wasserkraft H Klassische Wasserkraft (mit Aufstau) nützt die potenzielle Energie (Fallhöhe) aus

3 Nachteile: Aufstau, kein frei-fließendes Gewässer Problem mit Durchgängigkeit Wasserkraft ohne Aufstau Es gibt viele Projekte / Ideen

4 Verschiedene Beispielkonzepte Quelle: Wasser- und Elektrizitätswerk der Gemeinde Buchs SG

5 River Star Tocardo Aqua 2800 Amazone Aquacharger

6 Quelle: Quelle: Fluss-Strom

7 Strömungskraftwerk Strömung wird zum Antrieb einer Turbine und damit zur Stromproduktion genutzt Kein Damm Windkraftanlage unter Wasser Ausnutzung der kinetischen Energie Entscheidende Frage: Welche Leistung kann erzielt werden

8 Leistung von Strömungsturbinen Strömungsturbinen nützen nur die kinetische Energie der Strömung, keine Fallhöhe. Kinetische Energie P = 1 v 3 2 ρ A ρ... Dichte A... Propellerfläche v... Strömungsgeschwindigkeit Fluid muss abströmen, deshalb kann nicht die gesamte kinetische Energie umgewandelt werden.

9 Leistung von Strömungsturbinen Die Turbine kann nur einen Teil der Energie entziehen P Turb = 1 2 c p ρ A v 3 Leistungsbeiwert: c p = im entzogene Leistung Wasser enthaltene Leistung Nach Betz ergibt sich ein maximal möglicher Leistungsbeiwert von c P, ideal und damit eine maximale Leistung von = P = c P,ideal ρ 2 A v 3 = ρ 2 A v 3

10 Leistung von Strömungsturbinen Maximale Leistung: P = 16 ρ v ρgh 2 Q Q... Durchfluß v... Strömungsgeschwindigkeit H... Fallhöhe ρ... Dichte Viel geringere Leistungsdichte als konventionelle Wasserkraftwerke Beispiel: Eine Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s entspricht einer Fallhöhe von 12 cm, => Größerer Durchfluss, größerer Propeller

11 Strömungsgeschwindigkeit Äquivalente Fallhöhe Äquivalent te Fallhöhe in m Kinetische Energie Nutzbare kin. Energie Strömungsgeschwindigkeit in m/s

12 Turbinengröße Wassertie efe ~ 4 m 0.5 m m 1 m Spiegelschwankungen und Welleneinfluss Boden-Grenzschicht

13 Hydraulische Leistung Leistung in kw Leistung in kw Beispiel: Durchmesser 4 m, Strömungsgeschwindigkeit 3 m/s Leistung: 82 kw

14 Theoretische Leistung: P = ρ A 2 3 v Propellerdurchmesser 2 m

15 Leistung einer ummantelten Strömungsturbine Leistungserhöhung durch zusätzlichen Druckunterschied am Propeller Zusätzlich zur kinetischen Energie steht auch Druckenergie an der Turbine zur Verfügung

16 Leistung einer ummantelten Strömungsturbine Leistungskurve eines Saugmantels p P v v Prop Design der Turbine unterschiedlich zu frei umströmter Turbine v Prop v

17 Ummantelten Strömungsturbine Ziel: sehr kompakter Saugmantel mit hoher Leistung Angesetzt: D Austritt /D Propeller = 3/2

18 Ummantelten Strömungsturbine mit Grenzschichtbeschleunigung

19 Ummantelten Strömungsturbine Geschwindigkeitsverteilung

20 Ummantelten Strömungsturbine Druck Drucksprung am Propeller

21 Ummantelten Strömungsturbine Propellerdurchmesser: 2 m, Austrittsdurchmesser: 3 m mit Saugmantel ohne Saugmantel

22 Ummantelten Strömungsturbine mit Saugmantel D=3m ohne Saugmantel ohne Saugmantel

23 Ummantelten Strömungsturbine Vorteile: Höhere Leistung (Faustformel: bei gutem Saugmantel ca. 10% mehr als freier Propeller mit großem Durchmesser) Kleinerer Propeller Höhere Drehzahl Unsymmetrische Erweiterung bei geringer Wassertiefe Unempfindlicher gegen ungleichförmige und schräge Anströmung Nachteil Große (teuere) Baustruktur

24 Turbinentypen Hydrodynamische Turbinen hydrodynamischer Auftrieb Hoher Wirkungsgrad erreichbar

25 Turbinentypen Widerstandsläufer Deutlich niedrigerer Wirkungsgrad Quelle: Atlantisstrom

26 Turbinentypen Horizontalachsige Turbinen 6 Turbinen mit 200 kw in New York, East River Quelle: Verdant Power

27 Turbinentypen Vertikalachsige Turbinen Vorteile: Richtungsunabhängig Generator, Getriebe können über Wasser angeordnet werden analog zur Windkraft Nachteil: Läuft nicht von alleine an niedrigerer Wirkungsgrad

29 Zusammenfassung Leistung von Freistromturbinen proportional zu v 3 Maximale Leistung 59% der kinetischen Energie Ummantelte Turbinen nur geringfügig besser als Turbinen ohne Ummantelung aber mit max. Fläche Viel geringer Leistung als WKA mit Aufstau Um auf größere Leistungen zu kommen, braucht man große Turbinen In Deutschland gibt es dazu kaum Standorte

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