Trinkwasserturbinierung

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1 Weiterbildungskurse Trinkwasserturbinierung Von: Vorname Name: Ulrich Kobel Titel Geschäftsführer Firma Blue-Water-Power AG Zusatz Strasse / Postfach Dammweg 4, Postfach 32 PLZ Ort 5503 Schafisheim Ihre Homepage Ihre -Adresse info@blue-water-power.ch Ulrich.Kobel@blue-water-power.ch Renato.Baldini@blue-water-power.ch Veranstaltungsort: 1

2 Trinkwaserturbinierung Ulrich Kobel 1. Ausgangslage Vom Trinkwasser zum Ökostrom Die primäre Aufgabe der Wasserversorgung ist die qualitativ und quantitativ einwandfreie Versorgung der angeschlossenen Bezüger. Schützen und Nützen, zum Wohl aller! 1.1 Einleitung - Trinkwasser fliesst von den Brunnstuben in die Reservoire. Grosse Schüttungen und hohe Höhendifferenz ergeben ein nutzungswürdiges Potential. - Diverse Trinkwasserkraftwerke (TWKW) sind erstellt und produzieren kontinuierlich Strom - Der Ökostrommarkt wird immer wichtiger. - Das neue Stromgesetz ist sehr attraktiv für TWKW. 1.2 Vorteile Trinkwasser - Wasser ist bereits gefasst - Anlagen sind meistens vorhanden - Keine Eingriffe in die Natur (Ausnahme Ersatz Druckleitungen) - Keine Veränderung der Wasser-Qualität - Bypass notwendig (bei Ausfall der Turbine) 1.3 Höhendifferenz Je mehr Höhe, desto grössere Leistung 1.4 Wassermenge Genügend Wasser ist wichtig 1.5 Energieproduktion Berechnung der Leistung (einfache Faustformel) Leistung = 7 x Höhe x Wassermenge [kw] = [m] [m3/s] Berechnungsbeispiel: Höhendifferenz: 250 m Wassermenge: l/min (28l/s) = m3/s Energie: = 7 x 250 m x m3/s = 49.0 kw (effektive Anlage: 55 kw) 2

3 1.6 Turbinenstandorte Mit den heutigen Turbinentechnologien sind fast alle Standorte möglich - Über Einlaufbecken - Über Reservoirbecken - Im Schieberhaus - Turbinenschacht - Turbinenhaus - Im Reservoirkeller 2.0 Turbinentechnologien - Francisturbine - Kaplanturbine - Durchströmturbine - Gegendruck-Peltonturbine - Peltonturbine - Rücklaufende Pumpturbine Im Trinkwasserbereich haben wir eher wenig Wasser und viel Höhe und somit kommen folgenden Turbinen in Frage: - Peltonturbinen (PT) - Gegendruck-Peltonturbinen (GDPT) - Rückwärtslaufende Pumpturbinen (RLPT) 2.1 Peltonturbine (PT) 2.11 Vorteile der PT - Aufstellung horizontal oder vertikal (Achse Turbinenschaufel Verbindung Generator) - 1 bis 6 Düsen (abhängig von Wassermenge) - Sehr guter Wirkungsgrad über die ganze Leistungsbreite 2.12 Nachteile der PT - Wasser fällt nach der Beaufschlagung auf die Turbinenschaufeln durch die Luft nach unten (Ausgangsdruck 0 bar) 3

4 2.13 Düse und Laufrad der PT / Laufradproduktion für PT s 2.14 Leistungsbereich einer realisierten 3-düsigen PTV 2.15 Beispiel realisierte Peltonturbine - Beispiel Aufbau vertikale Peltonturbine - Beispiel Aufbau horizontale Peltontrubine 4

5 2.2 Gegendruck-Peltonturbine 2.21 Beschrieb der GDPT Bisher war es nicht möglich, eine Peltonturbine (PT) in geschlossenen Systemen zu betreiben, da Peltonturbinen immer einen freien Auslauf benötigen und keinen Gegendruck erzeugen können. Aus diesem Grunde entwickelte Blue-Water-Power AG und ihre Partner die Gegendruck-Peltonturbine (GDPT) Hydraulische Situation: T 2.23 Beschrieb der GDPT Bei der GDPT dreht das Turbinenrad in einem Druckluftpolster. Letzteres verhindert: - die Flüssigkeitsreibung am Laufrad, - reduziert Druckstösse im Leitungsnetz, - vereinfacht die Durchflussregelung und - baut vor allem den gewünschten konstanten Gegendruck auf (0 bis 4 bar, maximal 16 bar Diese Technologie ermöglicht somit die Kombination der Vorteile der PT und der Rückwärtslaufenden Pumpturbine (RLPT). 5

6 Einerseits kann der gute Wirkungsgrad sowie der variierbare Durchfluss auf einer grossen Bandbreite der PT genutzt werden und andererseits ist es möglich, am Austritt einen Gegendruck aufzubauen, wie bei der RLPT Einsatz 1 bar Gegendruck - In Reservoir - In Rohrkeller - ca. 80 % der Anwendungsfälle 2.25 Einsatz 4 bar Gegendruck Zur Versorgung von unteren Druckzonen, kommen bei ca. 20 % der Anwendungsfälle einen Gegendruck von 4 bar vor, jedoch gibt es auch Spezialanwendungen 2.26 Vorteile der GDPT - Einbau in geschlossenem System möglich - Beliebiger Gegendruck wählbar (0 bis 4 bar, maximal 16 bar) - Einbau vor Aufbereitungsanlagen etc. - Einbau in Rohrkeller etc. kein separates Gebäude notwendig - Einbau als Druckreduzierventil mit Energiegewinnung - GDPT nutzt die bewährte Technik der Peltonturbine - sehr guter Wirkungsgrad - wartungsarm 2.27 Beispiel realisierte Gegendruck-Peltonturbine (GDPT) 2.3 Rückwärtslaufende Pumpturbine (RLPT 6

7 2.31 Beschrieb der RLPT Die Energieerzeugung mittels einer Kreiselpumpe ist keine neue Technologie. Bereits vor mehreren Jahrzehnten wurde diese Anwendung mehrfach auch in der Schweiz installiert. Sozusagen unverändert kann jede Standard-Kreiselpumpe als Turbine eingesetzt werden. Heute erleben wir eine Renaissance der rückwärtslaufenden Kreiselpumpe als Turbine zur Energienutzung. Die Standardpumpe wird rückwärts (vom Druck-stutzen zum Saugstutzen) durchströmt, ändert dabei die Drehrichtung und erzeugt ein nutzbares mechanisches Moment an der Pumpenwelle. Der Vergleich der Hydraulik zeigt Ähnlichkeiten mit der Francisturbine. Die Pumpe als Turbine hat einzig keine verstellbare Leiteinrichtung und kann daher den Betriebspunkt nur gering variieren. - ähnlich einer Francis-Turbine - handelsübliche Pumpen - interessantes Preis-Leistungs-Verhältnis - PAT nicht regulierbar - Einsatz bei konstantem Wasserfluss - Schwallbetrieb möglich - parallel einsetzbar - vertikale und horizontale Ausführung möglich - Kombination als Pumpe und Turbine möglich 2.32 Beispiele realisierte RLPT s 2.4 Vergleich der Technologien Bauart: PT GDPT RLPT Wirkungsgrad: 70-90% 70-89% 65-85% Durchsatz: variabel variabel fix Gegendruck: nicht möglich bis 16 bar bis 25 bar Lebensdauer: bis 40 Jahre bis 40 Jahre 20 bis 35 Jahre Einsatzbereich Durchfluss: ab 7 l/s ab 7 l/s ab 5 l/s Nettohöhe: ab 60 m ab 60 m ab 10 m Leistung sinnvoll: ab 8 kw ab 8 kw ab 3.5 kw 7

8 3 Stromproduktion mit Trinkwasser 3.1 Neues Strom-VG Das neue Strom-VG ist seit dem in Kraft. Ziel ist die Förderung erneuerbarer Energien mit dem Zubaupotential von rund GWh Folgende Technologien werden gefördert: - Wasserkraft bis 10 MW - Biomasse - Abfälle aus Biomasse - Geothermie - Windenergie - Photovoltaik (Solar) 3.12 KEV (Kostendeckende Einspeisevergütung) Die Energieverordnung legt für jede Technologie und Anlagenkategorie die Einspeisevergütung fest. Zur Finanzierung der KEV sowie der Kosten des bisherigen 15-Räpplers und u.a. der adm. Kosten erfolgt ein Zuschlag von max. 0,9 Rp./kWh auf die Übertragungskosten der Hochspannungsnetze, welcher auf die Endverbraucher überwälzt werden kann. Dieser max. Zuschlag von 0,9 Rp./kWh darf nicht überschritten werden. Das Energiegesetz und die Verordnung legen daher für jede Technologie einen Kostendeckel fest. Pro Jahr kann also die KEV nur so vielen Anlagen zugesprochen werden, wie es der Kostendeckel der jeweiligen Technologie zulässt. Aktuell ist in jeder Kategorie der Deckel erreicht und alle neuen Projekte kommen auf die sogenannte Warteliste. In Folge der politischen Diskussion Austritt aus der Kernenergie laufen betreffend der erneuerbaren Energien, der KEV und deren Deckel verschiedene parlamentarische Initiativen. Anmeldeverfahren, Grundprinzip: - first in first served - Identisches Anmeldedatum: grössere Projekte zuerst, Rest auf Warteliste Anmeldeverfahren: - Projektfortschrittsmeldung - KWKW 4 Jahre - Inbetriebnahmemeldung - KWKW weitere 2 Jahre Bei Nichteinhaltung der Fristen: Platzfreigabe für ein anderes Projekt 8

9 Anmeldeverfahren Bereich KWKW: Alle vom Kraftwerksprojekt betroffenen Grundeigentümer müssen schriftlich ihre Zustimmung geben! Die Anlage muss beim zuständigen Netzbetreiber gemeldet sein! Entspricht die Anlage im Zeitpunkt der Inbetriebnahme nicht den Angaben der Anmeldung, fällt die Verbind-lichkeit des Bescheids dahin. Dies gilt für folgende Abweichungen: - Anderer Standort - Abweichung der Ausbauleistung ab Generator von > +/- 50% Wahlmöglichkeit: Entweder man rechnet die Stromproduktion über die KEV ab (mit separater Stromkennzeichnung), oder man verkauft den Strom inkl. Ökomehrwert über den freien Markt. Von der KEV kann man sich jederzeit per Ende Kalenderjahr abmelden. Kleinwasserkraftwerke (KWKW) gehen bis zu einer Leistung von kw. Definition: Die Anlage muss selbständig sein, d.h. sie muss über Stauanlage, Wasserfassung, Druckleitung, Turbine, Generator, Steuerung etc. verfügen. Man unterscheidet zwischen neuen KWKW und erheblich erweiterten oder erneuerten Anlagen. Die Kriterien für erheblich erweiterte oder erneuerte Anlagen sind sehr umfassend. Folgende Bedingungen müssen als Beispiel erfüllt sein: Steigerung der Produktion um mindestens 20%, bezogen auf den Ø der letzten 2 vollen Betriebsjahre vor dem oder Sanierungsinvestition ist mindestens 50% der Neubaukosten und die Amortisationsdauer muss um mindestens 2/3 abge-laufen sein (16 Jahre und 8 Monate) Bei der Vergütung bei KWKW gibt es - eine Grundvergütung - Bonus, Druckstufe - Bonus, Wasserbau Die Vergütung richtet sich immer nach der äquivalenten Leistung. Berechnung äquivalente Leistung: - Installierte Turbine (Pe) 78 kw - Jahresproduktion kwh - Jahresstunden Std. - äquivalente Leistung 55 kw Musterprojekt: Höhe brutto 250m; Q-max 40 l/sek, Q-Ø 28 l/sek, Q-min 10 l/sek Leitungslänge 1 200m, neu alles mit DN 200 (Innen) Höhe netto bei Q-max 238m, Q-Ø 244m, Q-min 249m Peltonturbine mit Lebensdauer Jahre Leistung P-elektrisch bei Q-max 78 kw, Q-Ø 55 kw, Q-min 19 kw geschätzte Produktion Jahr: kwh/a 9

10 Grundvergütung: Äquivalente Leistung in kw Rp Berechnungsbeispiel für 55kW Äquivalente Leistung: 10x26.00, 40x20.00, 5x14.50 = : 55kW = Rp. Grundvergütung Druckstufen-Bonus, Fallhöhe in Meter: Rp Berechnungsbeispiel für 250 m Brutto-Fallhöhe: 5 x 4.50, 5 x 2.70, 10 x 2.00, 30 x 1.50, 200 x 1.00 = : 250m = 1.20 Rp. Druckstufen-Bonus Wasserbau-Bonus: Äquivalente Leistung in kw: Rp Berechnungsbeispiel für 55kW Äquivalente Leistung: 10 x 5.50, 40 x 4.00, 5 x 3.00 = : 55kW = 4.18 Rp. Wasserbau-Bonus Total Vergütung KEV je kwh: - Grundvergütung Rp. - Druckstufen-Bonus 1.20 Rp. - Wasserbau-Bonus 4.18 Rp. = Total Vergütung KEV Rp. Vorsicht: Betrag ist inkl. MwSt. Produktion Jahr kwh/a = Entschädigung Jahr von CHF Die Vergütungsdauer der KEV bei KWKW beträgt 25 Jahre! Es ist keine Degression vorgesehen. Wichtige Hinweise zum Wasserbau-Bonus. Beträgt der Anteil des nach dem Stand der Technik realisierten Wasserbaus im Verhältnis zur gesamten Investition: - weniger als 20%, = kein Anspruch - mehr als 50%, = voller Anspruch - zwischen 20 und 50% wird linear interpoliert 10