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Forscher der Universität Siegen testeten den Prototyp des neuen Wasserrads im Labor und ermittelten die grundlegenden Leistungsmerkmale.
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Wasserkraft
15.05.2017

Schematische Darstellung eines traditionellen unterschlächtigen Wasserrads (oben) im Vergleich zum StECon (unten)
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Prototyp außerhalb des Wassers
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Beim StECon besteht das Planetengetriebe aus den äußeren Zahnrädern (gelb, 40 Zähne), die mit den Schaufeln verbunden sind. Den roten Zahnräder (18 Zähne), die zur Kraftübertragung dienen. Dem zentralen Zahnrad, Sonnenrad genannt (grün, 20 Zähne), das zur Steuerung der Schaufellagen eingesetzt wird.
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Wasserrad mit drehbaren Schaufeln

Ein neu entwickeltes Wasserrad kann nun Strom an Standorten erzeugen, an denen dies bisher technisch kaum möglich war. Die Maschine arbeitet ohne Stauwehr komplett unter Wasser, bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten und kann vorwärts wie rückwärts laufen. Dadurch kann sie in Flüssen und auch in Gezeitenströmungen genutzt werden. Ein Prototyp hat die Tests im Labor erfolgreich bestanden. Aktuell optimieren und erproben die Entwickler an der Universität Siegen das Wasserrad unter Praxisbedingungen.

Auch an Technologien, die die Menschheit bereits seit Jahrtausenden kennt und nutzt, sind noch Innovationen möglich. Seit den ersten Hochkulturen dienen unterschlächtige Wasserräder dazu, die Kraft des fließenden Wassers in mechanische oder – in neuerer Zeit – in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Räder dürfen maximal bis zur Nabe ins Wasser eintauchen, weil die Schaufeln für den Weg, den sie gegen die Fließrichtung zurücklegen, sich über der Wasseroberfläche befinden müssen. Ansonsten entstünden gegenläufige Kräfte und es käme zu einer Bremswirkung. Außerdem sind traditionelle Wasserräder meistens mit baulichen Eingriffen in den natürlichen Wasserlauf verbunden, wie etwa Stauwehre. Diese belasten das ökologische Gleichgewicht von Flüssen und Bächen.

Die neu entwickelte Anlage Stiller Energy Converter, StECon genannt, kommt ohne Querbauwerke im Fluss aus und arbeitet komplett unter der Wasseroberfläche. Möglich machen dies bis zu fünf, an einem Planetengetriebe montierte Schaufeln. Dieses Getriebe bewirkt einen zykloidalen Bewegungsablauf, bei dem jede Schaufel 180 Grad während einer kompletten Radumdrehung um die eigene Achse rotiert. In der Zwischenzeit nimmt die eine Hälfte der Schaufeln durch eine eher senkrechte Ausrichtung die Strömungskraft auf und die Schaufeln der anderen Radhälfte rotieren strömungsgünstig zu ihrem Ausgangspunkt zurück. Für den Weg gegen die Fließrichtung stehen also die Schaufeln annährend parallel zur Strömung und verkleinern damit die eigene Fläche (siehe Abbildung Mitte links). Dadurch sind in der Summe die antreibenden Kräfte stets erheblich größer als die bremsenden. Die Schaufeln sind symmetrisch konstruiert, weil beide Seiten abwechselnd angeströmt werden.

Die patentierte Maschine kann in jeder erdenklichen Lage installiert werden, vorwärts wie rückwärts laufen und sowohl zur Stromerzeugung als auch zum Antrieb dienen. Sie eignet sich gut für alle Einsatzgebiete mit niedrigen Fallhöhen, was die Stromgewinnung in Fließgewässern, eingrenzenden Kanälen und in Meeresströmungen einschließt. Projektkoordinator Professor Jürgen Jensen vom Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) an der Universität Siegen erklärt: „Unser Wasserrad ermöglicht es, bisher ungenutzte Klein- und Kleinstpotenziale der Wasserkraft zu erschließen. Es bietet sich jeder Standort an Fließgewässern mit ausreichender Strömung an. Hierzu kommen auch die kleineren Nebenflüsse in Betracht.“ Im Vergleich zu traditionellen Wasserrädern und Niederdruckturbinen, die ebenfalls an Standorten mit niedrigen Fallhöhen unter einem Meter installiert werden können, kann das StECon deutlich höhere Durchflüsse verarbeiten und so bessere Leistungsdaten erreichen. Es kann einerseits kleine, autonome Systeme, zum Beispiel Messbojen, mit Energie versorgen und andererseits als fest installierte Anlage arbeiten, wie etwa zur netzgekoppelten Stromerzeugung.

Prototyp im Wasserbaulabor optimieren

Beim StECon verlaufen alle Bewegungen zyklisch wiederholt in Kreisbahnen, die Maschine zählt daher zur Gruppe der sogenannten Zykloidalpropeller. Vergleichbare Antriebe kamen bereits bei Schiffen und in Luftschiffen zum Einsatz. Die bis zu fünf Schaufeln werden über symmetrische Planetengetriebe mit dreifachem Zahneingriff bewegt. Diese Getriebebauform mit einem frei beweglichen Sonnenrad ermöglicht einen sehr gleichmäßigen, ruhigen Bewegungsablauf über den gesamten Drehzahlbereich und eine optimale Ausrichtung zur Strömung. Die Forscher von der Universität Siegen ermittelten in den vergangenen Jahren die grundlegenden Leistungsmerkmale und Kenndaten der Maschine. Im weiteren Verlauf optimierten sie die Konstruktion und bauten einen Prototyp, der im Labormaßstab getestet wurde. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen dabei die Konstruktionsdetails des Getriebes und die optimale Geometrie der Schaufeln. Dank optimierter Konstruktion hat der Prototyp einen maximalen Wirkungsgrad von 44 Prozent erreicht, wobei im Labor die Wassermenge auf 150 Liter pro Sekunde begrenzt war. In der freien Strömung hingegen sind Wirkungsgrade von bis zu 26,8 Prozent möglich. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte dieses vorangegangene Forschungsprojekt, das die Bezeichnung Stiller Energiewandler Kompaktwasserrad (StEwaKorad) trug und im Frühjahr 2016 endete.

Die Maschine im Praxistest

In einem derzeit laufenden Folgeprojekt testen die Siegener Forscher das StECon unter realen Einsatzbedingungen. Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) fördert die Arbeiten noch bis Ende 2019. Dazu wurde eine weiterentwickelte Version des vorhandenen Labor-Prototyps für den Dauerbetrieb umgerüstet und Anfang Juni 2017 im Auslauf einer Kläranlage in Siegen installiert. Parallel wird bis Ende 2017 eine größere Pilotanlage an einem Bootsanleger im Rhein realisiert. Ziel ist, die Ergebnisse von zwei unterschiedlichen Standorten zu vergleichen und möglichst zu verallgemeinern.

Begleitend zur Untersuchung der beiden Pilotanlagen arbeiten die Siegener Forscher an einer Potenzialanalyse für Nordrhein-Westfalen. Hierfür identifizieren sie geeignete Standorte und die nötigen Infrastruktureinrichtungen an verschiedenen Fließgewässern, um deren Wasserkraftpotenzial zu ermitteln. Alle Daten gehen anschließend in eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ein.

(mi)

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