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Kraftwerk Kaprun

Kraftwerk Kaprun Oberstufe. Bild: Verbund Verbesserte Einsatzmöglichkeiten hydrotechnischer Speichersysteme Pumpturbine für alle Lastbereiche ohne Drehrichtungsumkehr Gerade bei Pumpspeicherkraftwerken bietet sich die Möglichkeit, die Wechselhaftigkeit des zunehmenden, unstetigen regenerativen Energieangebots besser auszugleichen. Genau für diesen Einsatzbereich haben Wissenschaftler der Technischen Hochschule Nürnberg eine innovative Strömungsmaschine entwickelt. Eine Herausforderung von Pumpspeichersystemen ist es, netzdienliche Arbeitsweisen anzubieten, mit denen Abweichungen zwischen der Stromnachfrage und dem Stromangebot bei einem zunehmend regenerativen Versorgungssystem aus geglichen werden können. Da sich die Anforderungen von einem klassischen Tag-Nacht-Speicher zu einer frequenzregulierenden Speicherung verschieben, wird das schnelle Umschalten zwischen der Stromerzeugung über die Turbinen und der Stromspeicherung über die Pumpen von immer größerer Bedeutung. Für diesen Regelbedarf kann die von Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp und dem ehemaligen Masterstudent Leonhard Westphal an der Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik der Technischen Hochschule Nürnberg entwickelte Strömungsmaschine mithilfe einer mechanischen Durchflussregelung eine Lösung bieten. Die Vorteile sind der verlustarme und nahtlose Betriebswechsel zwischen Pump- und Turbinenbetrieb und die schnelle Einstellung auf die geforderte Leistung. Das Pumpturbinensystem stabilisiert mit seiner rotierenden Masse dabei zusätzlich das Stromnetz. Bei der hier betrachteten Pumpturbine bilden die Pumpe und die Turbine, wie in Bild 1 gezeigt, zwei eigenständige Maschineneinheiten, die jedoch über dieselbe Antriebswelle miteinander verbunden sind. Die einzelnen Strömungsmaschinen benutzen den Francis-Laufrad-Typ mit geraden Laufradschaufeln. Das Laufrad besteht nach dem Stand der Technik aus den folgenden Hauptkomponenten: einem Laufradboden, Laufradschaufeln und einem Laufraddeckel. Letzterer ist normalerweise stoffschlüssig mit den Laufradschaufeln verbunden. Die Neuartigkeit ist nun ein beweglicher Laufraddeckel, der sogenannte Kreisringkolben, der, wie in 40 BWK BD. 71 (2019) NR. 12

W a s s e r k r a f t E N E R G I E F O R U M Bild 1 Pumpturbinensystem, Gesamtanordnung: MG = Motorgenerator, HD = Hochdruckbereich, ND = Niederdruckbereich. Bild: L. Westphal Bild 2 beispielhaft gezeigt, entlang der Rotationsachse axial verschoben werden kann. Dieser besitzt für die Verstellung Aussparungen in Form der Laufradschaufeln und zusätzliche Führungseinheiten, um ein Verkanten der einzelnen Bauteile im Betrieb zu vermeiden. Im Inneren des Kreisringkolbens befindet sich ein Hohlraum für die Laufradschaufeln, somit können Teile der Schaufelflächen aus der Strömung genommen werden. Je nach Bedarf wird der Kreisringkolben nach oben oder nach unten verstellt. Dieses Prinzip ermöglicht es, einen variablen Arbeitsraum für das Wasser zur Verfügung zu stellen und den Durchfluss bei stets nahezu gleichbleibendem Strömungsbild zu regulieren. Eine Möglichkeit den Kreisringkolben zu verstellen, kann über einen Elektromotor, ein Steuergetriebe und Gewindestangen erfolgen. Weitere Varianten wurden mit einer hydraulischen Verstellung entwickelt, wie dies beispielhaft in Bild 2 dargestellt ist. Die wechselnden Positionen des Kreisringkolbens würden am Übergang zum Leitrad ungünstige Strömungsverhältnisse auslösen, zum Beispiel durch Abrisskanten. Um dem vorzubeugen, haben Popp und Westphal mit dem Regulierungsring ein zusätzliches Bauteil entwickelt. Dieser befindet sich im Spiralgehäuse und wird parallel zum Kreisringkolben verstellt, rotiert jedoch nicht. Das Leitrad, das bei den meisten Strömungsmaschinen die Fließeigenschaften regelt, wird auch bei dieser Maschine weiterhin verwendet. Die mit dem Kreisringkolben synchrone Volumenanpassung des Arbeitsraums über den Regulierungsring nimmt einen zusätzlichen Einfluss auf die Geschwindigkeitsverhältnisse am Laufrad, die somit ebenfalls unabhängig vom Durchfluss weitgehend konstant gehalten werden können. Zwischen dem beweglichen Kreisringkolben und dem Leitradgehäuse ist eine Bild 2 Schnitt durch Laufrad und Leitrad (Lösungsvariante). Bild: L. Westphal dynamische Abdichtung nötig. Da sich der Kreisringkolben in axialer Richtung verschiebt und dabei zugleich rotiert, muss die Abdichtung bei Längs- und Drehbewegungen zuverlässig funktionieren. Eine weitere wichtige Abdichtungsstelle liegt zwischen den Laufradschaufeln und den Aussparungen im Kreisringkolben. Für diese herausfordernden Abdichtungen sind bereits Varianten entwickelt worden, oder es kann auf den Stand der Technik zurückgegriffen werden. Durch die spezielle Durchflussregelung mittels Kreisringkolben und Regulierungsring und die Umschaltung zwischen Pumpenbetrieb und Turbinenbetrieb ohne Veränderung der Drehzahl und -richtung, vermeidet das System Umschaltzeitverluste und insbesondere einen umfangreichen Wälzbetrieb, bei dem Pumpe und Turbine gleichzeitig in größerem Umfang beaufschlagt werden müssten. Das durch den Kreisringkolben erhöhte Trägheitsmoment des Laufrades wirkt dabei als zusätzliche Schwungmasse, die beim Wechseln des Betriebszustandes die Wellendrehzahl aufrechterhält. Neben dem verbesserten Betriebswechsel ermöglicht diese Art der Leistungsregelung auch einen optimierten Teillastbetrieb. Dies erfolgt durch die Anpassungen des Arbeitsraums innerhalb des Laufrades entsprechend der Betriebsanforderungen. Eine netzdienliche Arbeitsweise wird somit bei allen Lastzuständen ermöglicht. Die innovative Strömungsmaschine hat die TH Nürnberg zum Patent 1 ) angemeldet. Die Offenlegungsschrift ist bereits veröffentlicht und damit der erste Schritt zum Patent getan. Die Entwicklungsarbeit der beiden Wissenschaftler hat die Chance, das technische Ausbaupotenzial von hydrotechnischen Speichersystemen, wie Pump-, Ringwall- oder Stülpmembranspeicher, zu erhöhen und andere Einsatzgebiete für solche Strömungsmaschinen zu erschließen. Das Projekt befindet sich derzeit im Entwicklungsstatus. • 1 ) Popp, M.; Westphal, L. (2017): Strömungs - maschine und Verwendung der Strömungsmaschine sowie Pumpturbinenanlage mit mindestens zwei von den Strömungsmaschinen und Verfahren zum Betreiben der Pumpturbinenanlage, Patent DE 10 2017 114 283.5, München, Deutschland: Deutsches Patentund Markenamt. Prof. Dr.-Ing. M a t t h i a s P o p p Professur und Schwerpunktverantwortung für Energietechnik, Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik, Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm. matthias.popp@th-nuernberg.de Bild: M. Popp L e o n h a r d W e s t p h a l , M.Sc. Anwendungs- und Projektingenieur für die Nachverstromung von Abwärme, Orcan Energy AG, München. leonhard.westphal@posteo.de Bild: L. Westphal BWK BD. 71 (2019) NR. 12 41

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