Verbundwerkstoffe erobern den Markt für Wasserkraftanlagen. Eine Untersuchung der Materialfestigkeit und weiterer Kriterien offenbart zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere für Klein- und Mikroanlagen.
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Die Entwicklung neuer Materialien eröffnet der Wasserkraftindustrie spannende Möglichkeiten. Holz – ursprünglich für Wasserräder und Druckrohrleitungen verwendet – wurde Anfang des 19. Jahrhunderts teilweise durch Stahlkomponenten ersetzt. Stahl behält seine Festigkeit auch bei hoher Ermüdungsbelastung und widersteht Kavitationserosion und Korrosion. Seine Eigenschaften sind gut erforscht, und die Verfahren zur Herstellung der Komponenten sind ausgereift. Für große Anlagen wird Stahl voraussichtlich auch weiterhin das Material der Wahl bleiben.
Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Kleinturbinen (unter 10 MW) bis hin zu Kleinstturbinen (unter 100 kW) können Verbundwerkstoffe jedoch Gewicht sparen und die Herstellungskosten sowie die Umweltbelastung senken. Dies ist insbesondere angesichts des anhaltenden Wachstumsbedarfs der Stromversorgung relevant. Die weltweit installierte Wasserkraftkapazität – laut einer Studie von Norwegian Renewable Energy Partners aus dem Jahr 2009 fast 800.000 MW – deckt nur 10 % der wirtschaftlich realisierbaren und 6 % der technisch realisierbaren Wasserkraft ab. Das Potenzial, mehr technisch realisierbare Wasserkraft wirtschaftlich zu nutzen, steigt mit der Fähigkeit von Verbundwerkstoffen, Skaleneffekte zu erzielen.
Herstellung von Verbundbauteilen
Um die Druckleitung wirtschaftlich und mit gleichbleibend hoher Festigkeit herzustellen, ist das Filamentwickelverfahren die beste Methode. Ein großer Dorn wird mit Fasersträngen umwickelt, die zuvor durch ein Harzbad gelaufen sind. Die Stränge werden in Ring- und Spiralmustern gewickelt, um Festigkeit für Innendruck, Längsbiegung und Handhabung zu gewährleisten. Der folgende Ergebnisabschnitt zeigt die Kosten und das Gewicht pro Fuß für die beiden Druckleitungsgrößen, basierend auf einem Angebot lokaler Lieferanten. Das Angebot zeigte, dass die Konstruktionsdicke eher von den Installations- und Handhabungsanforderungen als von der relativ geringen Druckbelastung bestimmt wurde und für beide 2,28 cm betrug.
Für die Leitschaufeln und Stützflügel wurden zwei Herstellungsverfahren in Betracht gezogen: Nasslaminat und Vakuuminfusion. Beim Nasslaminat wird trockenes Gewebe imprägniert, indem Harz darüber gegossen und mithilfe von Walzen in das Gewebe eingepresst wird. Dieses Verfahren ist nicht so sauber wie die Vakuuminfusion und führt nicht immer zu einer optimalen Struktur im Hinblick auf das Faser-Harz-Verhältnis, ist aber weniger zeitaufwendig als das Vakuuminfusionsverfahren. Bei der Vakuuminfusion werden trockene Fasern in der richtigen Ausrichtung abgelegt. Der trockene Stapel wird anschließend vakuumverpackt und mit zusätzlichen Anschlüssen versehen, die zu einer Harzzufuhr führen, die beim Anlegen des Vakuums in das Teil gesaugt wird. Das Vakuum hilft, die Harzmenge auf einem optimalen Niveau zu halten und die Freisetzung flüchtiger organischer Stoffe zu reduzieren.
Das Spiralgehäuse wird in zwei separaten Hälften auf einer Positivform von Hand aufgelegt, um eine glatte Innenfläche zu gewährleisten. Diese beiden Hälften werden anschließend miteinander verbunden, wobei an der Verbindungsstelle außen Fasern hinzugefügt werden, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten. Die Druckbelastung im Spiralgehäuse erfordert keinen hochfesten Verbundwerkstoff, sodass ein Nasslaminat aus Glasfasergewebe mit Epoxidharz ausreichend ist. Die Dicke des Spiralgehäuses basierte auf denselben Konstruktionsparametern wie die Druckleitung. Da es sich bei der 250-kW-Anlage um eine Axialströmungsmaschine handelt, ist kein Spiralgehäuse vorhanden.
Ein Turbinenlaufrad vereint eine komplexe Geometrie mit hohen Belastungsanforderungen. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass sich aus geschnittenem Prepreg-SMC hochfeste Strukturkomponenten mit hervorragender Festigkeit und Steifigkeit herstellen lassen.5 Der Querlenker des Lamborghini Gallardo wurde aus mehreren Lagen geschnittenem Prepreg-SMC, einem sogenannten Schmiedeverbundwerkstoff, konstruiert und durch Formpressen auf die erforderliche Dicke gebracht. Dasselbe Verfahren lässt sich auf das Francis- und das Propellerlaufrad anwenden. Das Francis-Laufrad kann nicht als eine Einheit gefertigt werden, da die Komplexität der Blattüberlappung ein Entformen des Teils verhindern würde. Daher werden Laufradblätter, Krone und Band separat gefertigt und anschließend durch die Außenseite von Krone und Band miteinander verbunden und mit Schrauben verstärkt.
Während das Saugrohr am einfachsten durch Filamentwickeln hergestellt werden kann, ist dieses Verfahren für Naturfasern bisher nicht kommerziell verfügbar. Daher wurde das Handlaminieren gewählt, da es trotz der höheren Arbeitskosten ein gängiges Fertigungsverfahren ist. Mithilfe einer dornähnlichen Positivform kann das Laminieren horizontal durchgeführt und anschließend zum Aushärten vertikal gedreht werden, wodurch ein einseitiges Durchhängen verhindert wird. Das Gewicht der Verbundteile variiert leicht je nach Harzanteil im fertigen Teil. Diese Angaben basieren auf einem Fasergewicht von 50 %.
Die Gesamtgewichte der 2-MW-Turbine aus Stahl und Verbundwerkstoff betragen 9.888 kg bzw. 7.016 kg. Die 250-kW-Turbinen aus Stahl und Verbundwerkstoff wiegen 3.734 kg bzw. 1.927 kg. Die Gesamtgewichte basieren auf der Annahme von 20 Leitwerken pro Turbine und einer Druckrohrlänge, die der Turbinenhöhe entspricht. Wahrscheinlich wäre das Druckrohr länger und würde Armaturen benötigen, aber diese Zahl gibt eine grobe Schätzung des Gewichts der Anlage und der zugehörigen Peripheriegeräte. Generator, Bolzen und Schieberbetätigungsteile sind nicht enthalten und werden bei den Verbund- und Stahlanlagen als ähnlich angenommen. Es ist außerdem zu beachten, dass die erforderliche Neukonstruktion des Laufrads zur Berücksichtigung der in der FEA beobachteten Spannungskonzentrationen das Gewicht der Verbundanlagen erhöhen würde. Dieser Betrag wird jedoch als minimal angenommen, etwa 5 kg zur Verstärkung von Punkten mit Spannungskonzentrationen.
Mit den gegebenen Gewichten könnten die 2-MW-Verbundturbine und ihr Druckrohr mit dem schnellen V-22 Osprey angehoben werden, während für die Stahlmaschine ein langsamerer, weniger wendiger Chinook-Zweirotorhubschrauber erforderlich wäre. Außerdem könnten die 2-MW-Verbundturbine und das Druckrohr mit einem F-250 4×4 gezogen werden, während für die Stahleinheit ein größerer LKW erforderlich wäre, der bei abgelegener Anlage auf Waldwegen schwer zu manövrieren wäre.
Schlussfolgerungen
Der Bau von Turbinen aus Verbundwerkstoffen ist möglich, und im Vergleich zu herkömmlichen Stahlkomponenten konnte eine Gewichtsreduzierung von 50 bis 70 % erzielt werden. Das geringere Gewicht ermöglicht die Installation von Verbundturbinen an abgelegenen Standorten. Zudem sind für die Montage dieser Verbundstrukturen keine Schweißgeräte erforderlich. Da jedes Teil in einem oder zwei Abschnitten gefertigt werden kann, müssen weniger Teile miteinander verschraubt werden. Bei den in dieser Studie modellierten Kleinserien dominieren die Kosten für Formen und andere Werkzeuge die Komponentenkosten.
Die hier angegebenen Kleinserien zeigen, welche Kosten die weitere Erforschung dieser Materialien verursachen würde. Diese Forschung kann sich mit Kavitationserosion und dem UV-Schutz der Komponenten nach der Installation befassen. Elastomer- oder Keramikbeschichtungen könnten Kavitation reduzieren oder sicherstellen, dass die Turbine in Strömungs- und Druckbereichen läuft, die Kavitation verhindern. Es ist wichtig, diese und andere Probleme zu testen und zu lösen, um sicherzustellen, dass die Anlagen eine ähnliche Zuverlässigkeit wie Stahlturbinen erreichen, insbesondere wenn sie in Gebieten mit seltener Wartung installiert werden.
Selbst bei diesen kleinen Stückzahlen können einige Verbundkomponenten aufgrund des geringeren Arbeitsaufwands kosteneffizient hergestellt werden. Beispielsweise würde ein Spiralgehäuse für die 2-MW-Francis-Anlage aus Stahl 80.000 US-Dollar kosten, wenn es geschweißt wäre, verglichen mit 25.000 US-Dollar aus Verbundwerkstoff. Bei erfolgreicher Konstruktion der Turbinenlaufräder sind die Kosten für das Formen der Verbundlaufräder jedoch höher als bei vergleichbaren Stahlkomponenten. Die Herstellung des 2-MW-Laufrads aus Stahl würde etwa 23.000 US-Dollar kosten, verglichen mit 27.000 US-Dollar aus Verbundwerkstoff. Die Kosten können je nach Maschine variieren. Und die Kosten für Verbundkomponenten würden bei höheren Stückzahlen erheblich sinken, wenn die Formen wiederverwendet werden könnten.
Forscher haben bereits die Konstruktion von Turbinenlaufrädern aus Verbundwerkstoffen untersucht.8 Diese Studie befasste sich jedoch nicht mit Kavitationserosion und der Machbarkeit der Konstruktion. Der nächste Schritt für Verbundturbinen besteht darin, ein maßstabsgetreues Modell zu entwerfen und zu bauen, das den Nachweis der Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Herstellung ermöglicht. Dieses Modell kann dann getestet werden, um Effizienz und Anwendbarkeit sowie Methoden zur Vermeidung übermäßiger Kavitationserosion zu ermitteln.
Veröffentlichungszeit: 15. Februar 2022
