11. Juli 2019

Stabile Netze dank Wasserkraft

Weltweit steigt die Nachfrage nach flexibel einsetzbarer Wasserkraft um Stromnetze zu stabilisieren.

Auch in Deutschland werden Wasserkraftwerke wegen des immer größeren Anteils regenerativer Energien, wie Sonne und Wind, in Zukunft zunehmend eingesetzt um Stromnetze zu stabilisieren. Dadurch verändern sich auch die Anforderungen an die Wasserkraftanlagen.

Häufige Lastwechsel, lange Laufzeiten bei geringen Leistungen und wiederholtes An- und Abfahren beanspruchen die Wasserturbinen stärker als bisher und sorgen für neue Ansprüche an das Material. Im Verbundvorhaben „FrancisPLUS“ soll die Effizienz von Francis-Turbinen, die in zahlreichen Wasserkraftanlagen eingesetzt werden, in Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Unternehmen weiter gesteigert werden.

Optimiertes Laufraddesign für effizientere Turbinen

Um die Turbinen auch außerhalb des üblichen Betriebsbereichs, nahe des Optimums einsetzen zu können und gleichzeitig eine hohe Effizienz, Lebensdauer und Laufruhe zu erreichen, wird das Verhalten der Francis-Turbine im Teillastbereich erforscht. Ziel ist unter anderem ein optimiertes Laufraddesign, das einen sicheren, zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb der Turbinen ermöglicht. Hierzu werden Schwingungen, Druckschwankungen, Wirkungsgrade, Kavitation und Lebensdauer untersucht. Durch einen direkten Vergleich zwischen Modellversuch und Großanlage können die am Modell erforschten Phänomene direkt in die Praxis übertragen werden.

Zwei weitere Teilvorhaben befassen sich mit Strömungssimulation und Materialwissenschaft. Dort wird erforscht, wie sich die dynamische Belastung des Turbinenlaufrades, also die zeitabhängige Druckverteilung, auswirkt um anhand der Daten die Betriebsfestigkeit zu bestimmen. Darüber hinaus werden für den Laufradwerkstoff Schwingfestigkeitskennwerte ermittelt. Ein Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Materialermüdung im niederzyklischen Bereich, da dieser durch den flexiblen Einsatz der Turbinen zunehmend genutzt wird. Anhand der Ergebnisse sollen Methoden für eine längere Lebensdauer von Francis-Turbinen für Anlagenbauer und Betreiber entwickelt werden.

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