Entwicklung der fisch

ERFOLGREICHE ENTWICKLUNG DER NEUEN FISCHFREUNDLICHEN JANK-TURBINE

Mit dem Ausbau der Wasserkraft vor 120 Jahren wurden bereits die ersten kritischen Stimmen zur Fischschädigung an Wasserkraftwerken laut. Aktuell gibt es wohl keine Wasserkraftwerksprojekte, bei denen der Fischschutz nicht zumindest ein Thema ist. Daher ist bei neuen Entwicklungen im Bereich der Wasserkraft diesen Anforderungen Rechnung zu tragen.

Auch wenn in den Broschüren der Hersteller meist von fischfreundlichen Turbinen die Rede ist, muss insgesamt festgestellt werden, dass die derzeitig untersuchten Wasserkraftmaschinen mehr Schadensbegrenzung als Fischfreundlichkeit betreiben. Betroffen sind praktisch alle bekannten Wasserkraftmaschinen mehr oder weniger stark: Turbinen, Wasserkraftschnecken, Wasserräder usw. Fakt ist, dass Fische an Wasserkraftwerken geschädigt werden. Eingriffe der Menschheit in die Natur bleiben eben auch niemals folgenlos.

FISCHSCHUTZ AN WASSERKRAFTWERKEN

Fischschutz an Wasserkraftanlagen erfolgt derzeit hauptsächlich mit zwei Methoden: Barrieren verhindern einerseits das Einschwimmen von Fischen und verhindern so einen Durchgang durch die Turbinen und vermeiden an dieser Stelle eine Schädigung derselben. Mit der Erfindung des Horizontalrechenreinigers für die Wasserkraft durch die Firma Jank vor rund 35 Jahren konnte sich ein System etablieren, das einen Großteil der Fische am Anschwimmen zu den Turbinen hindert. In Deutschland ist daher auch mittlerweile der Name Fischschutzrechen ein Synonym für dieses System. Fische, die durch die Barrieren gelangen, werden durch den Einsatz fischfreundlicher Turbinen möglichst ohne Schädigung durch die Wasserkraftanlage geleitet. In letzter Zeit konnten durch Optimierungen an bestehenden Turbinentypen Verbesserungen erzielt werden. Jank Hydropower hat sich entschlossen einen gänzlich neuen Turbinentyp zu entwickeln.

Fotos & Grafiken: Jank

Die oberösterreichische Jank GmbH ist in der Kleinwasserkraftbranche für ihre innovativen Lösungen bekannt. Zu den jüngsten Entwicklungen der Wasserkraftallrounder zählt die fischfreundliche Jank-Turbine.

VERMEIDUNG VON FISCHSCHÄDIGUNGEN IN WASSERKRAFTMASCHINEN

Die Schädigung von Fischen beim Durchgang durch Wasserkraftmaschinen erfolgt meist durch Kollision mit der Beschaufelung, Verletzung an scharfen Kanten und Spalten oder durch schnelle Druckänderungen, Scherkräfte und Turbulenzen. Daher galt es nun, die Schädigung aufgrund dieser bekannten Einflüsse zu minimieren.

VON DER IDEE ZUM MODELL

Nach einer umfangreichen Recherche und einem ausgiebigen Ideenfindungsprozess konnte ein System gefunden werden, das die oben beschriebenen Erwartungen möglichst gut erfüllt. Es ist bekannt, dass im Bereich der Niederdruckanlagen die Axialturbinen wie z.B. Kaplan und Rohrturbinen die höchsten Wirkungsgrade liefern. Durch ein schrittweises Reduzieren der Beschaufelung auf ein notwendiges Minimum konnte zuerst die Kollisionswahrscheinlichkeit gesenkt werden: Es entstand ein Turbinentyp mit lediglich einem verstellbaren Propellerlaufrad ohne jegliche Leitschaufeln. Die Regelung des Durchflusses kann nur über das Laufrad erfolgen.

ZIELE FÜR EINE FISCHFREUNDLICHE TURBINE

Es liegt nun auf der Hand, eine Wasserkraftmaschine zu entwickeln, die möglichst fischschonend ist. Dennoch darf auf keinen Fall die Wirtschaftlichkeit einer Anlage außer Acht gelassen werden. Die aktuelle Energiekrise und die damit verbundene Strompreisentwicklung erfordert es geradezu, jedes vorhandene Potential am Kraftwerksstandort zu verwerten. Die Wirtschaftlichkeit ist eng mit der Zuverlässigkeit und den Wirkungsgraden einer Anlage verknüpft. Hohe Wirkungsgrade, vergleichsweise niedrige Betriebskosten und Verlässlichkeit für viele Jahrzehnte ist man in der Wasserkraft gewohnt. Als Zielvorgabe wurde festgelegt, dass die Turbine für Fallhöhen von 115m zum Einsatz kommen kann, sowie möglichst einfach und optimal für Kleinwasserkraftwerke geeignet sein soll. Die Eigenschaften der Turbine, wie Wirkungsgrad und Kavitationsanfälligkeit, sollten daher nach den höchsten technischen Standards, der Modellversuchsnorm IEC 60193, ermittelt und geprüft werden.

Maßstabsgetreues Modell der Turbine am Prüfstand der TU München.

Hinsichtlich des Verletzungsrisikos am Laufrad gibt es Erfahrungswerte von Kaplanturbinen. Durch eine entsprechende Konstruktionsweise mit einem vollkugeligen Laufradring und einer vollkugeligen Laufradnabe werden Spalträume zwischen drehenden und stehenden Komponenten vermieden. Die Verminderung von hohen Druckdifferenzen, Scherkräften und Turbulenzen erfolgt durch exzessive Optimierung mit Strömungssimulation (CFD). Hier ist zu erwähnen, dass ein optimales Druckfeld in einer Turbine nicht nur fischschonend ist, sondern auch hohe Wirkungsgrade beschert. Am Ende der umfangreichen Simulationsarbeit und Optimierung lag ein vielversprechendes Design vor.

MESSUNG UND KONTROLLE DER WIRKUNGSGRADE

Der Goldstandard für die Überprüfung und Kontrolle von Wirkungsgraden, Kavitationsverhalten und Einsatzparameter von Wasserturbinen ist ein Modellversuch nach IEC 60193. Hierzu wurde ein vollständig maßstabgerechtes Turbinenmodell mit einem Laufraddurchmesser von 340mm angefertigt und am Turbinenprüfstand der TU München installiert und geprüft. Mit zahlreichen Versuchen wurde das Modell umfangreich vermessen und die optimalen Betriebsbereiche gefunden. Die ermittelten Kennwerte können problemlos für größere Anlagen in die Praxis umgelegt werden. Hierzu gibt es umfangreiche Erfahrung.

Beim Jank-Eigenkraftwerk in Niederösterreich wurde die fischfreundliche Jank-Turbine erstmals in der Praxis erprobt.

Die Vermeidung von Spalträumen sowie die Verminderung von hohen Druckdifferenzen, Scherkräften und Turbulenzen stand im Mittelpunkt der Entwicklung.

VERGLEICH MIT ETABLIERTEN TURBINENTYPEN

Die spannende Frage vor Beginn der Modellversuche war, ob sich die vielversprechenden Werte aus der vorgenommenen Simulation auch wirklich in den Ergebnissen des bereits sehr praxisnahen Versuches widerspiegeln werden. Nach Auswertung der Versuchsdaten konnte festgestellt werden, dass die erzielten Wirkungsgrade äußerst gut mit den Werten aus der Simulation zusammenpassten. Viel wichtiger war jedoch die erfreuliche Erkenntnis, dass der Spitzenwirkungsgrad und der Wirkungsradverlauf im Bereich aktueller Kaplanturbinen liegen.

PRÜFUNG DER PRAXISTAUGLICHKEIT

Neue Entwicklungen bei Jank müssen sich erst in der Praxis bewähren, bevor sie bei Kundenprojekten eingesetzt werden. Der Platzbedarf der Turbine entspricht dem einer aktuellen Kaplanturbine. Der erste Prototyp wurde daher in einem eigenen Kraftwerksprojekt in St. Pölten installiert und im Mai 2022 in Betrieb genommen, worüber auch zek HYDRO in ihrer JuniAusgabe 2022 berichtet hat. Die Anlage liefert bei einer Fallhöhe von 2,7m und einer Wassermenge von 5m³/s eine Leistung von 120kW elektrisch. Ende Mai 2022 wurden umfangreiche Abnahmeprüfungen nach IEC 62006 durchgeführt und alle Erwartungen aus der Entwicklung wurden erfüllt. Die Anlage läuft seit der Inbetriebnahme ohne Störung im Dauerbetrieb.

VORTEILE GEGENÜBER ANDEREN WASSERKRAFTMASCHINEN

Im Vergleich zu Wasserkraftschnecken und Wasserrädern besticht die neue Turbine durch einen deutlich besseren Wirkungsgrad. Eine höhere Drehzahl ermöglicht meist einen Direktantrieb des Generators und vermeidet daher die Nachteile von Getrieben. Das einzig bewegliche Bauteil der Turbine ist das Laufrad. Dadurch lässt sich die Turbine günstiger als die meisten anderen Wasserkraftmaschinen herstellen. Zu verstellbaren Propellerlaufrädern liegen durch die Kaplanturbinen knapp 100 Jahre Erfahrungen vor. Hier kann also auf erprobte Technik zurückgegriffen werden. Ein weiterer Vorteil des Modells ist die einfache Regulierbarkeit im Vergleich zu einer klassischen Kaplanturbine. Es muss lediglich das Laufrad verstellt werden. So kann es zu keinem Wirkungsgradverlust aufgrund fehlerhaftem Leit/Laufradzusammenhang kommen. Zurzeit laufen ebenfalls Versuche zur Ermittlung der Verschmutzungsanfälligkeit des neuen Turbinenmodells. Durch den Wegfall von Stützschaufel und Leitapparat gibt es an dieser Stelle keine Einbußen mehr durch Schwemmgut und es ist wahrscheinlich, dass das neue Turbinenmodell in der Praxis dadurch eine noch höhere Jahreserzeugung als andere Turbinentypen aufweist.

FAZIT

Es konnte eine fischschonende Turbine entwickelt werden, die zudem in wirtschaftlicher Hinsicht absolut wettbewerbsfähig zu den etablierten Turbinentypen ist. Durch bewährte Technik gibt es geringe Risiken bei der Installation und im Betrieb. Die ersten Kundenanlagen sind bereits in der Montage und gehen demnächst in Betrieb.

Autor: Jank-Konstruktionsleiter Dipl.-Ing. (FH) Siegi Jank MSc. / E-Mail: siegi@jank.net Bald werden die fischfreundlichen Turbinen auch bei Jank-Kundenanlagen sauberen Strom produzieren.

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