In Zusammenarbeit mit HSC Energietechnik hat Baumüller einen Lösungsansatz entwickelt, in dem die bislang als Generatoren eingesetzten Standard-Normmotoren durch drehzahlunabhängige Direktantriebe ersetzt werden. Somit können Kleinwasserkraftanlagen auch dann mit dem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden, 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 geschaffen. Viele Betreiber modernisieren bestehende Anlagen, um deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Einen völlig neuen Lösungsansatz bietet dabei die Direktantriebstechnik: Klassische Normmotoren können als Generatoren durch drehzahlunabhängige Direktantriebe ersetzt werden – mit dem Ergebnis, dass sich die Anlage unanhängig von der vorhandenen Wassermenge und somit der Turbinendrehzahl im optimalen Wirkungsgrad befindet und somit mehr Energie zurückgespeist werden kann.

Bislang kommen in Kleinwasserkraftanlagen meist Standard- Norm-Motoren mit Getrieben oder Riemen zum Einsatz. Dabei wird die Generatordrehzahl und die Getriebe- oder Riemenübersetzung an den besten Arbeitspunkt der Turbine bei Nennwassermenge angepasst. Vermindertes Wasserangebot im Sommer oder stark vermindertes Gefälle der Anlage durch Hochwasser verschlechtern den Wirkungsgrad wegen der starren Turbinenlaufraddrehzahl stark.

Neuere Turbinenkonstruktionen brachten zwar eine Kennlinienverbesserung im Teillastbereich, aber noch lange nicht das gewünschte Optimum. Lösungsansätze mit variablen Übersetzungen scheiterten bisher am Aufwand oder schlechtem Wirkungsgrad der Variogetriebe. Die neue Lösung setzt dagegen auf einen High-Torque-Synchronmotor, der anstelle des Standard-Norm-Generators eingesetzt wird. Dieser wird direkt auf die langsam laufende Turbinenwelle gesetzt oder an diese angekuppelt. Getriebe oder Riemenübersetzungen entfallen, da auch kleine Torque-Maschinen für niedrige Drehzahlen ab etwa 50 U/min angeboten werden.

Die Besonderheit liegt in der Drehzahlvarianz dieser Konstruktion. Die Generatordrehzahl kann in einem weiten Bereich (+/- 30 %) ohne Wirkungsgradverlust variiert und somit an den günstigsten Wirkungsgradverlauf der Turbine bei veränderten Abflussverhältnissen angepasst werden. Dadurch ist es jetzt möglich, die Wasserkraftmaschine bei geringem Wasserdargebot deutlich langsamer oder bei geringerem Gefälle in Folge von Hochwasser deutlich schneller laufen zu lassen. Bisher musste die Drehzahl der Turbine auf die optimalen Wasserverhältnisse ausgelegt werden, die aber nur an wenigen Tagen im Jahr tatsächlich erreicht wurden. Mit der neuen Lösung verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad insbesondere im unteren Teillastbereich um über 30 Prozent.

Notlaufeigenschaften als Nebeneffekt
Ein Nebeneffekt ist das weiche Abfahren bei Netzausfall: Es kommt nicht mehr wie früher zu einem Hochdrehen der Maschine in die Durchgangsdrehzahl, bis die Turbine durch die Schnellschlusseinrichtung geschlossen ist. Vielmehr wird die Maschine zunächst auf Nenndrehzahl gehalten, die anfallende Energie wird in so genannten Bremswiderständen verheizt. Die Turbine läuft dann mit dem Schließen der Leitschaufeln aus und bleibt schließlich ganz stehen.

Der High Torque-Direktantrieb eignet sich nicht nur aufgrund seiner Drehzahlunabhängigkeit für die Anwendung als Generator, sondern auch wegen seines Konstruktionsprinzips. Durch die Hohlwelle kann der Motor direkt auf die Welle oberhalb der senkrecht stehenden Kaplan-Turbine aufgeflanscht werden. Zudem kann das Verstellen der Leitschaufeln leichter erfolgen, da die dafür notwendige Mechanik einfach durch die Hohlwelle des Motors hindurchgeführt wird. Darüber hinaus ist der High Torque-Direktantrieb auch wegen seiner Kühlart prädestiniert für die Anwendung in einem Kleinwasserkraftwerk: Die Wasserkühlung macht zusätzliche Lüfter am Motor überflüssig und wird wesentlich durch die Tatsache erleichtert, dass Wasser bereits an der Anlage vorhanden ist, welches zur Kühlung verwendet wird.

Durch den Wegfall verschleiß- und energieintensiver mechanischer Übertragungselemente wie Getriebe sind Direktantriebe außerdem fast wartungsfrei und somit zumindest auf lange Sicht kostengünstiger im Betrieb. Wirkungsgrad kann deutlich erhöht werden Der Einsatz von Direktantriebstechnik als Generator in kleinen Wasserkraftwerken resultiert in einer deutlichen Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads. Wurde bei Verwendung des Standard- Norm-Motors und einer Kaplan-Turbine ein Wirkungsgrad von 60 bis 92 % erreicht, so konnte dieser dank des neuen Lösungsansatzes deutlich verbessert werden. Messungen ergaben einen nahezu konstanten Wirkungsgradverlauf bei einer Beaufschlagung zwischen 30 bis 90 % der Nennwassermenge.

Der Generator zeigt eine atypische Kennlinie im Vergleich mit konventionellen Maschinen: Der beste Wirkungsgrad wird bei Teillasten um 30 % erreicht und mit zunehmenden Beaufschlagen sinkt der Wirkungsgrad auf Grund der Stromerwärmung geringfügig ab. Die Rechnung für den Betreiber ist einfach: Je höher der Wirkungsgrad des Systems, desto mehr Energie kann ins Netz zurückgeführt werden, was sich nach Erhöhung der Rückspeisevergütung erst recht auszahlt.

HSC Energietechnik GmbH, www.hsc-energie.de, Baumüller Holding Gmbh & Co. KG, www.baumueller.de

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Derzeit gibt es in Deutschland rund 7500 Wasserkraftanlagen mit einer installierten Gesamtleistung von etwa 4,7 GW. Rund 7300 davon sind Kleinwasserkraftwerke bis 1 MW. Für den Neubau von Kleinwasserkraftanlagen im Leistungsbereich zwischen 100 und 1000 kW sind typische spezifische Investitionskosten von 4000 bis 6000 Euro/kW anzusetzen. Die Stromgestehungskosten liegen bei einer typischen Auslastung von 3000 bis 5000 Volllaststunden pro Jahr zwischen 10 und 23 Cent/kWh.

Die Kosten für den Bau von Wasserkraftanlagen sind grundsätzlich an die Höhe der installierten Leistung gebunden, aber auch abhängig von der Fallhöhe, von den weiteren Standortbedingungen und insbesondere von den notwendigen ökologischen Maßnahmen.