Analyse der Strömung in einem Zuppinger Wasserrad mittels Particle Image Velocimetry

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (2017) sieht vor, den Bruttostromverbrauch bis zum Jahr 2025 zu 40 bis 45 % aus erneuerbaren Energien zu beziehen. Da Wasserkraft grundlastfähig ist, spielt sie für die Energiewende eine wichtige Rolle. Das technisch-ökologisch-ökonomische Zubaupotential an mittelgroßen und kleinen Fließgewässern (Kleinwasserkraft) liegt im Wesentlichen in der Modernisierung und Erweiterung von bestehenden Anlagen.

Kleinwasserkraftanlagen nutzen Fallhöhen von 0,5 bis 4,0 m und weisen Leistungen von 50 bis 1.000 kW auf. In diesem Bereich sind Wasserräder, insbesondere Zuppinger Wasserräder, effektive Energiewandler mit Wirkungsgraden größer 70 % und akzeptablem Kosten‐Nutzen‐Verhältnis in der Stromgewinnung. Im Gegensatz zu Turbinen setzen sie ein breites Spektrum an Abflüssen effizient in nutzbare Energie um. Daher sind sie auch für den sich immer deutlicher abzeichnenden Klimawandel mit seinen insgesamt geringeren Abflüssen und stärkeren Abflussschwankungen für die Energiewandlung gut geeignet.

Sowohl die EU Wasserrahmenrichtline (EU WRRL 2000) als auch die Wasserhaushaltsgesetze fordern die Durchgängigkeit der Fließgewässer für Sedimente, Fische und andere Lebewesen. Dies steht an vielen Wasserkraftstandorten im Gegensatz zu einer optimalen Energieausbeute. Auch aus ökologischer Sicht haben Wasserräder, aufgrund ihrer im Verhältnis zu Turbinen deutlich langsameren Drehzahlen, Vorteile.

In diesem Kontext gewinnen Wasserräder zunehmend an Bedeutung und sind Gegenstand von Forschungsarbeiten.

Um Zuppinger Wasserräder für die Stromgewinnung noch attraktiver zu machen, werden vorhandene Optimierungspotenziale detailliert untersucht. Hierfür ist eine Analyse der Strömungsverhältnisse innerhalb des Wasserrads unabdingbar.

Um dieses übergeordnete Ziel zu realisieren wurde ein Versuchsstand entwickelt, bei dem mit einem berührungslosen Messverfahren, der Particle Image Velocimetry (kurz PIV), die Strömung in einem sich drehenden Wasserrad ermittelt werden kann.

Mit diesem laserbasierten Messverfahren werden die Einflüsse der Strömung zwischen den Wasserradschaufeln auf Wirkungsgrad und Leistung des Zuppinger Wasserrads ermittelt. Dabei werden der Volumenstrom, der Ober- und Unterwasserstand, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Wasserrads, die Schaufelanzahl, der Schaufelabstand zum Boden und die Schaufelform variiert, um den jeweiligen Einfluss auf die Leistung des Wasserrads zu ermitteln. Hydraulische Optimierungen werden durch eine ökonomische Potentialanalyse verdeutlicht.

Geyer, D.; Saenger, N. (2016): Optimierung traditioneller Wasserräder mittels aktueller experimenteller Techniken und numerischer Simulation (OPTWASSETS), Berichtszeitraum: 01.10.2012-29.02.2016, Abschlussbericht.

Paudel, S.; Saenger, N. (2018): Zuppinger water wheel for low-head hydropower applications, Proceedings of the 5th IAHR Europe Congress, S. 587-588, ISBN: 978-981-11-2731-1

Paudel, S.; Weber, M.; Geyer, D.; Saenger, N. (2017): Zuppinger water wheel for very low-head hydropower applications, 10th International Conference on Sustainable Energy and Environment Protection, S. 25-34, ISBN: 978-961-286-055-4

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