Innovative Wasserkraftnutzung in Südwestfalen

Innovative Wasserkraftnutzung in Südwestfalen Arnsberger Energie-Dialog 27.02.2012 Dr.-Ing. Torsten Frank 27.02.2012 T. Frank 1 Wasser und Umwelt 1

Inhalt Ü Kleine Wasserkraft Herausforderungen und Chancen Ü Reaktivierung von Kleinwasserkraftstandorten Ü Neue Technologie für bewährte Konzepte Ü Wasserrad Generator Kombination Ü Neue Konzepte für bewährte Technologie Ü Schachtbauwerk Ü neue Einsatzorte und Anwendungsgebiete Ü Turbinen in der Trinkwasserversorgung Ü Abwasserleitungen, Kläranlagenausläufe Ü Nutzung kinetischer Energie Ü Flussenergiewandler auf Basis elektroaktiver Polymere Ü Weitere Einsatzgebiete / Forschungsvorhaben Ü Fazit 27.02.2012 T. Frank 2 Wasser und Umwelt 2

Herausforderungen und Chancen Ü Herausforderung der kleinen Wasserkraft: Ü Wirtschaftliche Nutzung und sinnvoller Beitrag zur Erzeugung erneuerbarer Energien einerseits Ü und Vereinbarkeit mit dem Ziel des guten ökologischen Zustands gerade auch der kleinen Flüsse und Bäche andererseits. Ü Wichtig: Wirtschaftlichkeit und Genehmigungsfähigkeit Ü Vorteil der kleinen Wasserkraft gegenüber großen, ausgebauten Wasserkraftpotenzialen: Ü verfügbares, ausbaubares oder reaktivierbares technisches Potenzial besteht Ü und kann auch in Form von nicht an natürliche Gewässer gebundenes Potenzial erschließbar sein (z.b. Kläranlagenausläufe). 27.02.2012 T. Frank 3 Wasser und Umwelt 3

Herausforderungen und Chancen Ü weitere Aspekte: Ü viele kleine Anlagen: dezentrale Energieerzeugung. Ü Vorteil für die Netzbelastung bei Abnahme der Energie vor Ort. Ü Nachteil allerdings bei benötigter überregionaler Fernverteilung. Ü Vorteil der sehr geringen umbauten Räume (Erscheinungsbild, Akzeptanz, Flächenbedarf und Umwelteingriff). Ü Allerdings: Weitere Auswirkungen einer WKA auf das Gewässer über den direkt in Anspruch genommenen Raum hinaus überprüfen: Ü Auswirkungen auf das direkte Umfeld / auf das Gewässer. Ü Bedeutung der kumulierten Auswirkung vieler Nutzungen an zahlreichen Gewässern. 27.02.2012 T. Frank 4 Wasser und Umwelt 4

Herausforderungen und Chancen Ü Auch und gerade bei Kleinwasserkraftnutzung: Ü Prüfung der ökologischen Verhältnisse / Erhalt von Durchgängigkeit und Funktionsfähigkeit des Lebensraums. Ü Vorteil der kleinen Wasserkraft: Ü Potenzial, auch nach Beachtung aller Randbedingungen für höchste ökologische Verträglichkeit die verfügbaren Fallhöhen und Abflüsse wirtschaftlich sinnvoll zu nutzen. Ü Bedarf an intelligenten Konzepten: Ü Günstige Geräteinvestition, möglichst kompakt, möglichst effizient und möglichst anspruchslos in der Art und Weise des geforderten Einbaus. Ü Ziel: möglichst geringe erforderliche Wasserbaumaßnahme. Ü Minderung der Gesamtinvestition und des Eingriffs in die Gewässerstruktur. 27.02.2012 T. Frank 5 Wasser und Umwelt 5

Ü Kleine Wasserkraft Herausforderungen und Chancen Ü Reaktivierung von Kleinwasserkraftstandorten Ü Neue Technologie für bewährte Konzepte Ü Wasserrad Generator Kombination Ü Neue Konzepte für bewährte Technologie Ü Schachtbauwerk Ü neue Einsatzorte und Anwendungsgebiete Ü Turbinen in der Trinkwasserversorgung Ü Abwasserleitungen, Kläranlagenausläufe Ü Nutzung kinetischer Energie Ü Flussenergiewandler auf Basis elektroaktiver Polymere Ü Weitere Einsatzgebiete / Forschungsvorhaben Ü Fazit 27.02.2012 T. Frank 6 Wasser und Umwelt 6

Reaktivierung von Kleinwasserkraftstandorten Ü Herausforderungen: Ü Anpassung an oftmals geänderte Rahmenbedingungen des Gewässers Ü bauliche Situation vorhandener Anlagen wie Obergraben, Wehre etc. Ü aktuellen Auflagen und Vorgaben der Genehmigungsbehörden im Sinne der ökologischen Verträglichkeit. von: komplett aufgegeben und teilverfallen Bsp: Volme 27.02.2012 T. Frank 7 bis: im Grunde komplett einsatzbereit Bsp: Wiehl Wasser und Umwelt 7

Reaktivierung von Kleinwasserkraftstandorten Ü In Mittelgebirgsregionen, wie z.b. dem Sauer- und Siegerland, befinden sich zahlreiche Standorte ehemaliger Wasserkraftnutzung. Ü Charakteristikum: Untergraben eines Wasserkraftnutzers mündet in den Obergraben oder Mühlteich des Nächsten à Industriebetriebe sind aufgrund der Nähe zum Trieb- und Nutzwasser im Talgrund stationiert. Ü Beispielprojekt: Reaktivierung einer typischen Ausleitungswasserkraftanlage unter besonderer ökologischer Verträglichkeit und standortangepasster Nutzung. Ü Fluss Volme (Märkischer Kreis, Sauerland) à MQ Winter = 2 m 3 /s und MQ Sommer = 0,6 m 3 /s Ü Ziel: Machbarkeitsstudie (touristische Umnutzung des Standorts, ökologisches Entwicklungskonzept des Fließgewässers, Ermittlung der Rahmenbedingungen der Wasserkraftnutzung). 27.02.2012 T. Frank 8 Wasser und Umwelt 8

Reaktivierung von Kleinwasserkraftstandorten Ü Ergebnis der Variantenuntersuchung: Kombination aus oberschlächtigem Wasserrad und Klappenlaufradturbine. Ü Wasserrad: Preiswert, robust, fischfreundlich à Anschauungsobjekt und Publikumsmagnet. Ü Klappenlaufradturbine: Hoher Wirkungsgrad, geringe Verschmutzungsanfälligkeit und (soweit das möglich ist) fischschonende Anwendung. DUMONT ET AL. (2005) 27.02.2012 T. Frank 9 Wasser und Umwelt 9

Reaktivierung von Kleinwasserkraftstandorten Ü Reaktivierung der Wasserkraftnutzung ist auch unter besonderen ökologischen Ansprüchen wirtschaftlich möglich. Ü trotz teilweise deutlicher, über den im Einzelnen geltenden Richtlinien hinausgehende, ergriffener Maßnahmen bzw. angesetzten Mindestabflüsse. Ü Aber natürlich: Minderung der möglichen Erlöse. Ü Je nach angeführter Mindestwassermengenvariante und je nach Wahl einer Dynamisierung: Stromeinspeise-Erlöse von rd. 23.000 bis 30.000 pro Jahr. Machbarkeitsstudie zur Erarbeitung der ökologischen Potenziale der Volmeaue sowie der gewässertechnischen Rahmenbedingungen für eine ökologisch verträgliche Wasserkraftnutzung. Bearbeitung des gewässertechnischen Teils durch die, des ökologischen Entwicklungskonzepts durch das Landschaftsbüro Pfeiffer, Koordination und Projektträgerschaft: Verein Heesfelder Mühle e.v., finanziert durch das Land NRW. 27.02.2012 T. Frank 10 Wasser und Umwelt 10

Moderne Wasserräder Wasserräder Ü Guter Wirkungsgrad von geringsten Wassermengen bis zum maximalen Schluckvermögen Ü Sehr geringe Ansprüche an Ingenieurbau (im einfachsten Fall Zuleitungsrinne und Lagerfundamente) Ü Niedrige Drehzahl vergleichsweise ungefährlich für Fische und Kleinlebewesen, keine Abstiegsverhinderung Ü Stehen für naturnahe Energieerzeugung, der Begriff "Wasserrad" ist positiv belegt und fördert sanften Tourismus in der Region (Beispiel Volme, Reaktivierung eines Standortes) Innovationsoptionen: - Preisgünstige Herstellung / Baukastensystem / einfacher Aufbau und Wartung - Hydraulische Optimierung von Beaufschlagung, Füllung, Entleerung - Koppelung mit Generatoren, Lager- und Getriebetechnik, Verzicht auf Getriebe, elektromechanische und leistungselektronische Energiewandlung 27.02.2012 T. Frank 12 Wasser und Umwelt 12

Moderne Wasserräder Ü Wasserrad mit integriertem Generator, Segmentkranz- Ringgenerator (Drews): Vorteil: Verzicht auf Getriebe bzw. Riementrieb, Wirkungsgradverbesserung, Optimierung Masse- Leistungsverhältnis der Maschine Ü Leistungsprüfstand und Optimierungsuntersuchungen am fwu Wasserrad-Drews.de 27.02.2012 T. Frank 13 Wasser und Umwelt 13

Schachtkraftwerk Schachtkraftwerk (TU München) Ü Wasserkraftkonzept in vollständiger Unterwasseranordnung (Rutschmann et al., Wasserwirtschaft 7-8 2011) Rutschmann et al. 2011 27.02.2012 T. Frank 15 Wasser und Umwelt 15

Schachtkraftwerk Schachtkraftwerk (TU München) Ü Wasserkraftkonzept in vollständiger Unterwasseranordnung (Rutschmann et al., Wasserwirtschaft 7-8 2011) Ü Konzeptziele / -eigenschaften Ü reduziertes Bauvolumen Ü komplette Maschinen-Generator-Einheit in einer Kammer vor und im Staubauwerk vollständig unter Wasser angeordnet. Ü Verzicht auf Kraftwerksgebäude Ü verursacht keine baulichen Ufereingriffe Ü ist nicht sichtbar Ü nicht hochwassergefährdet Ü geschiebedurchgängig Ü ohne maschinenbedingte Geräuschemissionen. Ü horizontalen Einlaufebene erfordert hydraulischen Lösungsansatz mit kleinen Fließgeschwindigkeiten in der Rechenebene sowie Permanentüberströmung des stirnseitigen Verschlusses um homogene und wirbelfreie Strömungsverhältnisse im Einlauf zu gewährleisten, wodurch zugleich die Forderungen des Fischschutzes und -abstieges erfüllt werden können. 27.02.2012 T. Frank 16 Wasser und Umwelt 16

Turbinen in der Trinkwasserversorgung Ü Wasserversorgungssysteme dienen der Wasserversorgung Ü Infrastruktur und Betriebsweise bieten jedoch vielfältige Wasserkrafterzeugungs-Szenarien Ü Druckreduzierung, Drosseln Ü Durchflussregulierungsventile Ü Speicher Ü Pumpen Ü Druckrohrleitungen Ü bei oftmals konstantem Durchfluss 24h/d Ü Wasserkraftnutzung durch Ü Ersetzen oder Parallelinstallation von Druckreduzierungsorganen mit Mikro- Turbinen, Nutzen von Pumpen als Turbinen (PAT) Ü Nutzen von Speichern unterschiedlicher Druckhöhe als Pumpspeicher Ü Nutzen von Zeiten erhöhten Wasserverbrauchs (oft im Zusammenhang mit Zeiten erhöhten Stromverbrauchs) Ü Nutzen von Zeiten geringen Wasserverbrauchs (Speicherwirkung) 27.02.2012 T. Frank 18 Wasser und Umwelt 18

Turbinen in der Trinkwasserversorgung Herausforderungen: Ü Wirkungsgrad von kleinmaßstäblichen Mikroturbinen zwischen 30 und 60% Ü Restriktionen: Fallhöhe bzw. Druck, geringe Durchflüsse, Adaption an Rohrleitungseinbau, Druckgradienten beim Schließen von Regelorganen, Ü Pumpen als Turbinen: Vorteil Massenfertigung, Verfügbarkeit und Preis, Einfachheit des Einbaus, oft bereits vorhanden Ü Möglichkeit der Parallel- (Bypass) Installation Ü Forschung im Bereich Optimierung von Rohreinbau-angepassten Propellerturbinen Ü Maschinencharakteristik bei typischen Durchflussbedingungen in Trinkwasserleitungen Ü u.a. Diplomarbeit an heimischer Talsperre und Trinkwasseraufbereitung 27.02.2012 T. Frank 19 Wasser und Umwelt 19

Mikro- und Kleinturbinen / Kläranlagenausläufe Ü Einsatz von Mikro- und Kleinturbinen zur Nutzung von Kleinstwasserkraft erfolgt in der Regel an Standorten mit geringem Wasserkraftpotenzial. Ü Vorteil: Verfügbarkeit von massengefertigten Kleinstturbinen aus dem asiatischen Raum mit geringen Investitionskosten! Ü Z.B. Kläranlagenausläufe bzw. -ausleitungsstrecken mit geringen Fallhöhen (1 H 4 m). Ü Beitrag zur Energie(rück)gewinnung ohne erforderlichen Eingriff in natürliche Gewässer. Ü Konventionelle Turbinentypen können hier weiter unterteilt werden: Niederdruckturbinen ( Low Head ), Mitteldruckturbinen ( Medium Head ), Hochdruckturbinen ( High Head ). 27.02.2012 T. Frank 21 Wasser und Umwelt 21

Mikro- und Kleinturbinen / Kläranlagenausläufe Ü In der Praxis haben sich die Propeller- und Turgoturbinen zur Nutzung der Kleinstwasserkraft etabliert. Ü Propellerturbinen (Q: 30-130 l/s; H: 1-3 m; P: 130 W - 1 kw): z.b. mit offenem Leitkranz Systemskizzen z.b. mit angeformter Spirale und Rohrflansch Nach fwu und Kleinstwasserkraft Klopp (2010) 27.02.2012 T. Frank 22 Wasser und Umwelt 22

Mikro- und Kleinturbinen / Kläranlagenausläufe Ü Turgoturbinen (Q: 5-120 l/s; H: 15-50 m; P: 300 W 30 kw): Turgoturbine (links) und horizontale S-Rohrturbine als ungeregelte Propellerturbine (rechts) nach Kleinstwasserkraft Klopp (2010) Ü Vorteil: Turbinen-Generator-Module sind preiswert und ökonomisch. Ü Aber: Fertigungstoleranzen (z.b. Spaltmaße der Läufer) und die einfachen Generatoren sind stark verbesserungswürdig! Ü Forschungsaufgaben fwu: Steigerung der Gesamteffizienz dieser Kleinstwasserkraftmodule (angepasste Läufer und Generatoren). 27.02.2012 T. Frank 23 Wasser und Umwelt 23

Mikro- und Kleinturbinen / Kläranlagenausläufe Ü Beispiel: Wasserkraftnutzung am Auslauf einer Kläranlage mittels Niederdruckpropellerturbine Wasserkraftnutzung am Auslauf einer Kläranlage mittels einer im Schachtbauwerk integrierten Niederdruckpropellerturbine (links: nach JENSEN ET AL. (2009)) und als 3D-Ansicht mit drei parallel betriebenen Aggregaten im Schachtbauwerk (rechts: nach Kleinstwasserkraft KLOPP (2010)) 27.02.2012 T. Frank 24 Wasser und Umwelt 24

Nutzung kinetischer Energie Ü Strommühlen / Strombojen o.ä. Ü Vielzahl von Konzepten und Ideen Ü in Form der Strom- bzw. Schiffsmühle sicher die älteste aller Wasserkraftnutzungen (Frühgeschichte der Zivilisation) Ingenieurbüro Floecksmühle et al. 2010 27.02.2012 T. Frank 26 Wasser und Umwelt 26

Nutzung kinetischer Energie Ü Vorteil der geringen direkten Installationen bzw. Gewässerbaumaßnahmen und damit geringer ökologischer Eingriff Ü aber: sehr geringe Leistungsausbeute, geringe Wirkungsgrade, große erforderliche aktive Wirkflächen (eingetauchte Blattfläche(n) eines Stoßrades, Rotorfläche von Strömungsturbinen o.ä. Ü erfordern für signifikante Erträge hohe Strömungsgeschwindigkeiten von 1,5 bis 2,5 m/s Vereinfachtes Beispiel: um 1kw = 1000 W zu erzeugen: Ü mit Strommühle: P = ½ * ρ * A * v³ * η (ohne cp) Ü 0,5 * 1000 * 1m/s³ * 4m² * η = 2000 W * η = 2000 * 0,5 = 1000 W Ü Durchfluss Q durch diese 4 m²: 1m/s * 4 m² = 4 m³/s Ü Baubreite der reaktiven Fläche z.b. 4 m Länge bei 1 m Eintauchtiefe Ü mit 1 m Fallhöhe: P = ρ * g * Q * h * η Ü 1000 * 9,81 * 0,128 * 1 * η = 1256 W * η = 1256 W * 0,8 = 1005 W Ü Durchfluss Q = 128 l/s Ü Baubreite: z.b. 47 cm Durchmesser für eine Mikropropellerturbine mit 70 cm breiter Einlaufrinne 27.02.2012 T. Frank 27 Wasser und Umwelt 27

Nutzung kinetischer Energie Ü Tatsächliche Gesamtwirkungsgrade liegen um 20 % Ü Baugröße und Strömungsvorgaben lassen Einsatz oft nicht zu. Ü Schlechtes Verhältnis Baugröße zur erzeugter Energie Ü Was, wenn Verhältnis Baugröße / eingesetzte Ressourcen zur erzeugter Energie deutlich verbessert werden könnte? Übergang Energy Harvesting zur Kleinstwasserkraft Ü Alternatives Konzept: Regenerative Energiewandlung mit elektroaktiven Polymeren (EAP) 27.02.2012 T. Frank 28 Wasser und Umwelt 28

Nutzung kinetischer Energie Ü Regenerative Energiewandlung mit elektroaktiven Polymeren (EAP) Direkte, hocheffiziente, ressourcenschonende Umwandlung von mechanischer Dehnungsenergie in elektrische Energie durch Ladungsverschiebung Erzeugung der Dehnungsenergie durch Strömung regenerative Energie Geeignet für relativ niederfrequente Schwingungen bis zu 10Hz Zum Schutzrecht angemeldetes Wandlerprinzip Einsatz des EAP-Generators zur Nutzung regenerativer Strömungsenergie: für dezentrale Energieerzeugung mit hohem Wirkungsgrad und guter Skalierbarkeit. 27.02.2012 T. Frank 29 Wasser und Umwelt 29

Existierende EAP-Generatoren für Wellenenergie 6 7 1 5 3 DEG weight guiding 2 Courtesy: University of Lancaster Bojen-Prinzip Anaconda-Prinzip Courtesy: SRI International (C) Control Engineering and Mechatronic Systems - Prof. Dr.-Ing. Jürgen Maas EAP-basierter Flussengergiewandler 27.02.2012 T. Frank 30 Wasser und Umwelt 30

Flussenergiewandler der HS OWL EAP-tube closed 2 Shock wave stretches tube 3 1 - + 5 open open 6 EAP tube EAP-tube swings back close close tube inlet flexible pneumatic tube pinch valve 1 7 - + EAP-tube opened FEC prototype flow of river stretch (C) Control Engineering and Mechatronic Systems - Prof. Dr.-Ing. Jürgen Maas EAP-basierter Flussengergiewandler 27.02.2012 T. Frank 31 Wasser und Umwelt 31

Weitere Einsatzgebiete / Forschungsvorhaben Ü Nutzung von Talsperren als Pumpspeicher Ü Wasserkraftnutzung in alten Bergbauanlagen Ü Optimale Wasserbeaufschlagung von Ausleitungsstrecken Ü... 27.02.2012 T. Frank 33 Wasser und Umwelt 33

Inhalt Ü Kleine Wasserkraft Herausforderungen und Chancen Ü Reaktivierung von Kleinwasserkraftstandorten Ü Neue Technologie für bewährte Konzepte Ü Wasserrad Generator Kombination Ü Neue Konzepte für bewährte Technologie Ü Schachtbauwerk Ü neue Einsatzorte und Anwendungsgebiete Ü Turbinen in der Trinkwasserversorgung Ü Abwasserleitungen, Kläranlagenausläufe Ü Nutzung kinetischer Energie Ü Flussenergiewandler auf Basis elektroaktiver Polymere Ü Weitere Einsatzgebiete / Forschungsvorhaben Ü Fazit 27.02.2012 T. Frank 34 Wasser und Umwelt 34

Fazit Ü Die dargestellten Beispiele zeigen Arbeitsfelder, Chancen und Perspektiven, wo und wie auch im Bereich kleiner und kleinster Wasserkraftpotenziale eine gewinnbringende und gleichzeitig ökologisch verträgliche Nutzung denkbar ist. Ü Insbesondere kombinierte Planungen von Wasserkraftnutzung und Umsetzung von Konzepten zur naturnahen Entwicklung sowie weiteren Nutzungskonzepten versprechen tragfähige Konzepte zur Investitionsbündelung. Ü Es ist noch deutlicher Bedarf an der Weiterentwicklung bestehender Konzepte und der Entwicklung neuer Ansätze sowie ganz allgemein weiteren Forschungsarbeiten gegeben. 27.02.2012 T. Frank 35 Wasser und Umwelt 35

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Torsten Frank Wasser und Umwelt (fwu) Tel.: +49(271) 740 2643 E-Mail: torsten.frank@uni-siegen.de 27.02.2012 T. Frank 36 Wasser und Umwelt 36