Direktantriebe als Generatoren verstetigen den Wirkungsgrad kleiner Wasserkraftwerke Höherer Wirkungsgrad dank Direktantrieben

Die High-Torque-Synchronmotoren der Baureihe DST von Baumüller erreichen in der größten Bauform Bemessungsdrehmomente bis zu 20.000 Nm und Maximaldrehmomente bis zu 32.000 Nm.

Baumüller hat in Zusammenarbeit mit HSC Energietechnik einen Lösungsansatz entwickelt, mit dem sich der Wirkungsgrad kleiner Wasserkraftwerke deutlich steigern lässt: Die bislang als Generatoren eingesetzten Standard-Normmotoren werden durch drehzahlunabhängige Direktantriebe ersetzt, damit sich die Anlagen auch dann mit dem optimalen Wirkungsgrad betreiben lassen, wenn sich die Turbinendrehzahl aufgrund schwankender Wassermenge verändert.

Mit der Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) hat der Gesetzgeber im vergangenen Jahr neue Anreize für den Betrieb von regenerativen Energiequellen wie etwa Wasserkraftwerken geschaffen. Viele Betreiber modernisieren bestehende Anlagen, um deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Einen neuen Lösungsansatz bietet dabei die Direktantriebstechnik: Klassische Normmotoren als Generatoren lassen sich durch drehzahlunabhängige Direktantriebe ersetzen - mit dem Ergebnis, dass die Anlagen unabhängig von der vorhandenen Wassermenge und somit der Turbinendrehzahl ihren optimalen Wirkungsgrad erreichen, wodurch mehr Energie zurückgespeist werden kann.

Bislang tun in kleinen Wasserkraftwerken meist Standard-Normmotoren mit Getrieben oder Riemen ihren Dienst. Dabei werden die Generatordrehzahl und die Getriebe- oder Riemenübersetzung an den besten Arbeitspunkt der Turbine bei Nennwasserdurchfluss angepasst. »Vermindertes Wasseraufkommen im Sommer oder stark verringertes Gefälle durch Hochwasser verschlechtern jedoch den Wirkungsgrad wegen der starren Drehzahl des Turbinenlaufrads stark«, erläutert Marcus Finkbeiner, Leiter Vertriebsniederlassung Süd bei der Baumüller Nürnberg GmbH. »Neuere Turbinenkonstruktionen brachten zwar eine Kennlinienverbesserung im Teillastbereich, aber noch lange nicht das gewünschte Optimum. Lösungsansätze mit variablen Übersetzungen scheiterten bisher am Aufwand oder am schlechten Wirkungsgrad der Variogetriebe.«

Direktantrieb als Generator

Die Lösung von Baumüller und HSC Energietechnik setzt dagegen auf einen High-Torque-Synchronmotor, der an die Stelle des Standard-Normgenerators tritt. Der Synchronmotor wird direkt auf die langsam laufende Turbinenwelle gesetzt oder an sie angekuppelt. Getriebe oder Riemenübersetzungen entfallen, weil auch kleine Torque-Maschinen für niedrige Drehzahlen ab etwa 50 U/min erhältlich sind.

Die Besonderheit liegt in der variablen Drehzahl der Konstruktion: »Die Generatordrehzahl lässt sich in einem weiten Bereich (plus/minus 30 Prozent) ohne Rückgang des Wirkungsgrads variieren und somit an den günstigsten Wirkungsgradverlauf der Turbine bei verändertem Wasseraufkommen anpassen«, verdeutlicht Finkbeiner. »Dies ermöglicht es, die Wasserkraftmaschine bei geringer Wassermenge deutlich langsamer oder bei geringerem Gefälle infolge von Hochwasser deutlich schneller laufen zu lassen. Bisher musste der Anwender die Drehzahl der Turbine auf die optimalen Wasserverhältnisse auslegen, die aber nur an wenigen Tagen im Jahr tatsächlich gegeben waren.« Mit der neuen Lösung verbessere sich der Gesamtwirkungsgrad besonders im unteren Teillastbereich um mehr als 30 Prozent.

Ein Nebeneffekt ist das »weiche Abfahren« bei Netzausfall: »Die Maschine dreht nicht mehr wie früher in die Durchgangsdrehzahl hoch, bis die Schnellschlusseinrichtung die Turbine geschlossen hat«, führt Finkbeiner aus. »Vielmehr wird die Maschine zunächst auf Nenndrehzahl gehalten, und die anfallende Energie wird in Bremswiderständen 'verheizt’. Die Turbine läuft dann mit dem Schließen der Leitschaufeln aus und bleibt schließlich ganz stehen.«

Der High-Torque-Direktantrieb ist aber nicht nur wegen seiner Drehzahlunabhängigkeit als Generator nutzbar, sondern auch aufgrund seines Konstruktionsprinzips: »Er ist mit einer Hohlwelle ausgestattet, so dass er sich direkt auf die Welle oberhalb der senkrecht stehenden Kaplan-Turbine aufflanschen lässt«, stellt Finkbeiner fest. »Zudem sind die Leitschaufeln leichter zu verstellen, weil die dafür nötige Mechanik einfach durch die Hohlwelle des Motors hindurchgeführt wird.« Darüber hinaus ist der High-Torque-Direktantrieb auch wegen seines Kühlverfahrens für Anwendungen in kleinen Wasserkraftwerken prädestiniert: »Die Wasserkühlung macht zusätzliche Lüfter am Motor überflüssig und bietet sich allein schon deshalb an, weil Kühlwasser ohnehin in der Anlage vorhanden ist«, betont Finkbeiner. »Da verschleiß- und energieintensive mechanische Übertragungselemente wie etwa Getriebe wegfallen, sind Direktantriebe außerdem fast wartungsfrei und somit zumindest auf lange Sicht kostengünstiger im Betrieb.«

Der Einsatz von Direktantrieben als Generatoren in kleinen Wasserkraftwerken erhöht den Gesamtwirkungsgrad deutlich über die bisher bei Nutzung von Standard-Normmotoren und Kaplan-Turbinen erreichten 60-92 Prozent hinaus. »Messungen haben einen nahezu konstanten Wirkungsgradverlauf bei einer Beaufschlagung zwischen 30 und 90 Prozent der Nennwassermenge ergeben«, stellt Finkbeiner klar. Der Generator zeigt eine atypische Kennlinie im Vergleich mit konventionellen Maschinen: Bei Teillasten um 30 Prozent ist der Wirkungsgrad am besten; mit zunehmendem Beaufschlagen sinkt er geringfügig ab. Die Rechnung für den Betreiber ist einfach: »Je höher der Wirkungsgrad des Systems, desto mehr Energie lässt sich ins Netz zurückführen, was sich nach Erhöhung der Rückspeisevergütung erst recht auszahlt«, erklärt Finkbeiner.