Wie eine Wasserturbine mehr Strom erzeugt

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In den Niederlanden gibt es küstennahe Hochwasserschutzanlagen, die sich auch für eine Energiegewinnung mit Gezeitenkraft nutzen lassen. Strenge Vorschriften erfordern neue Turbinenkonstruktionen. Um ein entsprechendes Rotordesign für den Kunden Water2Energy zu entwickeln, hat Physixfactor mittels Simulation eine Darrieus-Windturbine für die Wassernutzung angepasst.

Im Vergleich zu konventionellen Wasserkraftturbinen konnte das Water2Energy-Design mit vertikaler Achse die Fischsterblichkeitsrate auf weniger als ein Prozent reduzieren. „Wir wollen unsere Deiche nicht nur für den Hochwasserschutz nutzen. Sie können auch den Energiebedarf decken und helfen, die Fische und die Umwelt zu schützen“, sagt Helger van Halewijn, Direktor des Ingenieurbüros Physixfactor. Um diese Ziele zu erreichen, wandte sich das niederländische Unternehmen Water2Energy an van Halewijn, um die Modellierung einer vertikalachsigen Wasserturbine zur Stromerzeugung (VAWT) für den Einsatz in Hochwasserschutzbauten zu unterstützen. Mithilfe von Multiphysik-Simulationen optimierte er die VAWT von Water2Energy, um mehr elektrische Energie zu erzeugen und gleichzeitig Schäden für Meeresbewohner zu minimieren.

Energie an gefährdeten Orten

Der durch den Klimawandel verursachte steigende Meeresspiegel bedroht die Küstenregionen weltweit. Da überrascht es nicht, dass die Niederländer grenzüberschreitende Initiativen wie Energizing Coastal Regions with Offshore Renewable Energy (Encore) anführen. Encore ist ein gemeinsames Projekt, das durch das Interreg 2 Seas-Programm finanziert und vom Experten für erneuerbare Energien im Meer Met/Support geleitet wird. Das Projekt bekräftigt, dass 25 Prozent des europäischen Energiebedarfs bis 2050 mit erneuerbaren Offshore-Quellen gedeckt werden könnten. Drei beteiligte Unternehmen entwickeln Offshore-Solarenergie, Wellenenergie-Technologie und eine Flussturbine. Das dritte Unternehmen, Water2Energy, will Strom aus den Gezeitenströmen durch die Schleusen der Deltawerke erzeugen.

Wasserturbine zur Stromerzeugung – Eine Windturbine für das Wasser

Ein durch unruhige Strömung gekennzeichneter Ort scheint ein ideales Umfeld für die Stromerzeugung aus Wasserkraft zu sein. Doch auch wenn die Erschließung der Gezeitenkraft einfach erscheint, stellen die tatsächlichen Bedingungen viele Hürden dar. Konventionelle hy­droelektrische Technologie ist für die Installation in den Schleusen der Deltawerke ungeeignet. „Das gängigste Design für Wasserturbinen ist der Kaplan-Rotor“, erklärt van Halewijn. „Er sieht aus wie der Propeller, der ein Schiff antreibt. Er rotiert sehr schnell, und wenn man ihn in einem engen Raum wie den Schleusen in unseren Dämmen einsetzt, könnte er Fische und andere Meeresbewohner schädigen“.

Stattdessen hat Water2Energy eine Wasserturbine zur Stromerzeugung mit vertikaler Achse (VAWT) entwickelt, die einen Rotor vom Typ Darrieus enthält. Das Design des Darrieus-Rotors, für den Georges Jean Marie Darrieus 1926 ein Patent für den Einsatz in Windkraftanlagen erhielt, lässt sich auch für Wasseranwendungen nutzen. Aus Sicht von Water2Energy ist der größte Vorteil eines Darrieus-Rotors gegenüber einem Kaplan-Rotor, dass seine offene Struktur und sein Bewegungsablauf weniger gefährlich für Fische sind. Wie kann er die Stromerzeugungsziele des Encore-Projekts erreichen und das Gleichgewicht zwischen maximaler elektrischer Leistung und minimaler ökologischer Belastung halten?

Kontinuierliche Anpassung des Anstellwinkels der Turbinenschaufeln

Bei der Gezeitenkraftturbine von Water­2Energy betrafen die wichtigsten Designentscheidungen die Optimierung der vertikalen Rotorblätter. Van Halewijn nahm zwei technische Aufgaben in Angriff, indem er sowohl das Design der Blätter als auch einen Mechanismus zur Einstellung ihrer Winkel testete und verfeinerte. Denn zum einen ist ein Darrieus-Rotor nicht immer selbststartend, auch nicht in einer Umgebung, in der das Wasser kontinuierlich fließt. Zudem ist eine Turbine, die in einem geschlossenen Durchgang installiert wird, wie zum Beispiel in einer Schleuse eines Staudamms, mehr Turbulenzen ausgesetzt als in der freien Luft oder freien Gewässern.

Beide Aufgaben lassen sich durch eine kontinuierliche Anpassung des Anstellwinkels der Turbinenblätter lösen. Mit der richtigen Ausrichtung zur Wasserströmung setzt sich die Schaufel eines Darrieus-Rotors schon bei sehr geringen Wassergeschwindigkeiten in Bewegung. Das Problem: Der optimale Startwinkel der Schaufel wird ineffizient, sobald die Turbine in Bewegung ist. Der Winkel kann zwar so optimiert werden, dass die Schaufel reibungslos an der Gehäusewand vorbeifährt, allerdings ist dieser Winkel bei anderen Drehpunkten der Schaufel nicht mehr effizient. Van Halewijn verwendete die Comsol Multiphysics-Software, um die Auswirkungen verschiedener Schaufelpositionen auf die Leistung zu modellieren.

Dazu modellierte van Halewijn nur eine Schaufel der Turbine, um den optimalen Anstellwinkel zu finden. Um die turbulente Strömung an der Turbinenschaufel zu modellieren, probierte er verschiedene Berechnungsmethoden für Fluidströmungen in der Comsol-Software aus. Das Standard-k-ε-Modell war für das Problem nicht geeignet und führte nicht zu einer optimalen Leistungsabgabe. Das sogenannte SST-Modell kombiniert das k-ε-Modell in freier Strömung und das k-ω-Modell in Wandnähe, was zu guten Ergebnissen führte, aber zu lange zum Konvergieren brauchte. Daher entsprach das k-ω-Modell sowohl den Anforderungen des Projekts als auch den Rechenressourcen.

„Was ich wirklich anbiete, sind fundierte Entscheidungen, die auf den Prinzipien der Physik basieren“

Nach der Strömungsmodellierung konnte van Halewijn ein optimales Schaufelprofil finden. „Ich erkläre Kunden immer, dass Simulationssoftware ein Entscheidungswerkzeug für Forschung und Entwicklung ist. Ich verkaufe keine Mathematik. Mit Simulation bin ich in der Lage, ein Projekt ohne Trial-and-Error in die richtige Richtung zu lenken. Was ich wirklich anbiete, sind fundierte Entscheidungen, die auf den Prinzipien der Physik basieren“, sagt er. „Nachdem wir ein Profil für die Schaufel modelliert hatten, konnten wir die Schaufelbewegungen an den Kanalwänden simulieren. Das bedeutete, dass wir das Netz der Schaufeloberfläche anpassen mussten, um jeden Schritt der 360-Grad-Drehung zu berücksichtigen“, erklärt van Halewijn. „Ich konnte die Software gezielt dahingehend einsetzen, um die Energieerzeugung in der Entwurfsphase zu maximieren. Und natürlich mussten wir die Passage von Fischen durch die Turbine simulieren, um zu zeigen, dass das maritime Leben nicht geschädigt wird, auch nicht bei Prototypentests.“

Wasserturbine zur Stromerzeugung: Live-Tests bestätigen Potenzial

In einem Schleusenkanal der Delta Works führte Water2Energy einen Live-Test des VAWT-Mechanismus mit verstellbaren Schaufeln durch. Er zeigte, dass die neu gestaltete Turbine das Design mit festen Schaufeln bei der Leistungsabgabe um mehr als 40 Prozent übertraf. Sie kann zudem Gezeitenströmungen in elektrischen Strom umwandeln und gleichzeitig die Meerestiere schützen. Die Water2Energy-Turbine reduziert die Sterblichkeitsrate auf weniger als 1 Prozent. Im Schleusenkanal installierte Kameras zeigen, dass die vertikal verstellbaren Schaufeln wie vorgesehen arbeiten, während Forellen sicher vorbeischwimmen.

Water2Energy arbeitet nun an der Vermarktung. Ein Konsortium schlägt ein Gezeitenkraftwerk in Zeelands Grevelingendam vor. Eine der Lösungen könnte bis zu 6 Water­2Energy-Turbinen mit einer Gesamtleistung von 1,6 MW nutzen und Strom für etwa 1.000 Haushalte erzeugen.

Über den Autor: Alan Petrillo ist Content Writer bei Comsol.