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Kleine Wasserkraftwerke können Ertrag signifikant erhöhen

Supraleitung gibt Schub für Wasserkraft

12. Mai 2011, 12:05 Uhr | Heinz Arnold

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Generatoren für die Wasserkraft

Schnell laufende Generatoren mit geringer Polzahl sind einfacher und kostengünstiger als große, schwere vielpolige Maschinen. Deshalb arbeiten viele Kraftwerke mit den Generatoren geringer Polzahl. Allerdings muss dann ein Getriebe zwischen Turbine und Generator geschaltet werden, um Wechselstrom mit der gewünschten Frequenz generieren zu können. Getriebe reduzieren aber den Wirkungsgrad um typischerweise 2 bis 3 Prozent und bringen mechanische Probleme mit sich.

Mit supraleitenden Synchrongeneratoren vereinfacht sich die direkte Kopplung von Turbine und Generator.

Drehzahlfester Betrieb

Weil die Turbinen im drehzahlfesten Betrieb nur in einem schmalen Fenster des Teillastbereichs einen Wirkungsgrad zwischen 75 und 95 Prozent erreichen, müssen die Generatoren möglichst bei fester Drehzahl betrieben werden.

Supraleiterbasierte Generatoren reduzieren die Anforderungen an die Wassermengensteuerung: Ihr Wirkungsgrad steigt im Betrieb mit Nenndrehzahl schon bei niedriger Wellenleistung der Antriebsleistung steil an. Schon bei 10% der Turbinen-Nennleistung erreicht der Wirkungsgrad 95 Prozent, ab 30% Nennleistung liegt er bei ca. 98 Prozent.

Verglichen mit einem optimal arbeitenden konventionellen modernen Generator arbeitet die supraleiterbasierte Maschine mit einem mehr als 2 Prozent besserem Wirkungsgrad im Optimum. Der Effizienzvorsprung gegenüber älteren Generatoren liegt noch deutlich höher. Allerdings werden drehzahlfeste Generatoren eher die Ausnahme bleiben.

Drehzahlvariabler Betrieb

Günstiger sind die drehzahlvariabel ausgelegten Generatoren. Vier-Quadranten-Stromrichter erlauben es, die Generatordrehzahl vollständig von der Netzfrequenz zu entkoppeln. Damit lassen sich die Turbinen bei wechselnder Wassermenge deutlich effizienter betreiben als in herkömmlicher Auslegung. Kann die Turbine mit der für die jeweilige Wassermenge optimalen Drehzahl laufen, steigt die Wellenleistung proportional zum durchgesetzten Volumen. Muss sie die Energie dagegen unabhängig vom durchströmenden Volumen bei vorgegebener Drehzahl wandeln, dann liefert sie über fast den gesamten Teillastbereich deutlich weniger Wellenleistung als im drehzahlvariablen Betrieb. Das gilt für Kaplanturbinen genauso wie für Propellerturbinen.

Supraleiterbasierte Generatoren können den Wirkungsgrad drehzahlvariabler Turbinen weiter steigern, da die Teillasteffizienz der supraleitenden Generatoren ein wesentlich breites Betriebsfenster ermöglicht. Ferner kann die Blattverstellung komplett entfallen, was weitere Kosten und Verluste einspart. »Hier schlagen die alle Vorteile des supraleiterbasierten Generators durch, beste Teillasteffizienz, kompakte Baugröße (nur 1/3) um in bestehende Bauwerke zu passen und Überlastfähigkeit. Generell kann man sagen, dass bestehende Laufwasserkraftwerke, abhängig von vielen Faktoren um 10-40% höhere Erträge erwirtschaften können, sofern sie mit der neuesten Technologie ausgestattet werden.«, sagt Jens Müller.