Um die Wasserkraftwerke am Neckar und an kleinen Flüssen und Bächen in Baden-Württemberg zu modernisieren und die Energieausbeute zu optimieren, entwickelt das Institut für Strömungsmeckanik der Universität Stuttgart seit 20 Jahren Simulationsprogramme. Mithilfe einer Strömungsanalyse konnte zum Beispiel beim Wasserkraftwerk in Kiebingen bei Rottenburg die Leistung um mehr als 30 Prozent gesteigert werden.
 Mehrere tausende mittlere und kleine Wasserkraftwerke vermutet Professor Dr. Ing. Eberhard Göde, Direktor des Instituts für Strömungsmechanik, in Baden-Württemberg. Viele könnten mit einer Strömungsanalyse und einem Umbau modernisiert werden, ohne neue Anlagen bauen zu müssen.
„Große Wasserkraftwerke am Rhein gibt es vielleicht 20 bis 30. Aber je kleiner die Flüsse und Bäche sind, desto mehr Kraftwerke gibt es”, schätzt der Experte.
Das Wasserkraftwerk in Kiebingen wurde 1903 errichtet und war das erste im Kreis. Etwa 20 bis 30 Kubikmeter Wasser pro Sekunde fließen aus dem Neckar durch jede der vier Turbinen hindurch. „Ursprünglich geplant war eine Leistung von 340 Kilowatt pro Turbine, tatsächlich erreicht wurden jedoch nur 300 Kilowatt“, erklärt Professor Göde.
Zum Vergleich: Ein typischer Staubsauger hat heutzutage eine Leistung von 1500 W, d.h. 1,5 kW. Man könnte also mit einer Turbine à 400 kW Leistung 267 Staubsauger gleichzeitig betreiben, oder mit der Leistung aller vier Turbinen 1067 Staubsauger.
Jedoch lieferten die Maschinen jahrzehntelang mit etwa 300 Kilowatt rund 10 Prozent zu wenig Leistung. „Gemessen an einer Gesamtenergie-produktion von sechs Millionen Kilowattstunden pro Jahr summiert sich da eine beträchtliche Summe“, betont Göde. Dies änderte sich erst, als Ingenieure von ENBW das Institut damit beauftragten, die Strömung zu analysieren und die Leistung zu verbessern.
Abläufe durch Simulation verbessern
Um Anlagen wie in Kiebingen zu modernisieren, arbeitete Professor Göde und sein Team mit mehreren Simulationsmodellen. Mit einem Analysemodell werden Strömungen in Maschinen berechnet und Teile der Turbine modelliert. Dazu werden die Konturen in den Rechner eingegeben wie Strömungskanal und Schaufeln. Um sich die Vorgänge anschließend besser vorstellen zu können, stellen andere Simulationsprogramme die Ergebnisse graphisch und modellhaft dar.
„Wir haben quasi in die Maschine reingeschaut und festgestellt, dass wir den sogenannten Leitapparat, der dem Turbinenlaufrad vorgeschaltet ist, verbessern können“, fasst der Direktor die Ergebnisse zusammen. Im Leitapparat stehen senkrecht die Schaufeln, sie öffnen und schließen den Wasserzufluss. Das funktioniert ähnlich wie bei einem Auto beim Gas geben: Dann öffnet und schließt sich ein Ventil und es kommt Leistung.
Neuer Strömungskanal und neue Profile bringen den Schwung
„Die Schaufeln waren zu klein, schlecht geformt und zu eng, das heißt es floss zu wenig durch“, erinnert sich Göde. Als Lösung hat das Team dann einen neuen Strömungskanal und neue Profile modelliert und berechnet. „Damit konnten wir nach dem Umbau die Leistung pro Turbine um mehr als 30 Prozent steigern“, freut sich Göde. Das heißt pro Turbine konnte die Leistung von 300 auf 400 Kilowatt erhöht werden und die Energieproduktion ist auf über acht Millionen Kilowattstunden/Jahr angewachsen.
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