Die Wasserturbine ist eine Strömungsmaschine. Bereits um 100 v. Chr. entstand der Prototyp der Wasserturbine, das Wasserrad. Damals bestand die Hauptfunktion darin, Maschinen zur Getreideverarbeitung und Bewässerung anzutreiben. Das Wasserrad, ein mechanisches Gerät, das den Wasserfluss als Antrieb nutzt, hat sich zur heutigen Wasserturbine weiterentwickelt, und auch ihr Anwendungsbereich hat sich erweitert. Wo werden moderne Wasserturbinen hauptsächlich eingesetzt?
Turbinen werden hauptsächlich in Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt. Bei geringerer Netzlast als der Grundlast können sie als Wasserpumpe eingesetzt werden, um die überschüssige Stromerzeugungskapazität zu nutzen und Wasser vom stromabwärts gelegenen Reservoir in das stromaufwärts gelegene Reservoir zu pumpen und so Energie in Form von potenzieller Energie zu speichern. Bei höherer Netzlast als der Grundlast können sie als Wasserturbinen eingesetzt werden und Strom zur Regulierung von Spitzenlasten erzeugen. Daher kann ein reines Pumpspeicherkraftwerk die Leistung des Stromnetzes nicht steigern, aber es kann die Wirtschaftlichkeit thermischer Kraftwerke und die Gesamteffizienz des Stromnetzes verbessern. Seit den 1950er Jahren erfreuen sich Pumpspeicherkraftwerke weltweit großer Beliebtheit und haben sich rasant entwickelt.
Die meisten Pumpspeicherkraftwerke, die in der Frühphase oder bei hohem Wasserdruck entwickelt wurden, arbeiten mit drei Maschinen, d. h. sie bestehen aus einem Generatormotor, einer Wasserturbine und einer Wasserpumpe in Reihe. Der Vorteil liegt darin, dass Turbine und Wasserpumpe getrennt voneinander konstruiert sind, wodurch jeweils ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Die Anlage dreht sich bei der Stromerzeugung und beim Pumpen in die gleiche Richtung und kann schnell von Stromerzeugung auf Pumpen bzw. von Pumpen auf Stromerzeugung umgestellt werden. Gleichzeitig kann die Turbine zum Anfahren der Anlage genutzt werden. Der Nachteil sind die hohen Kosten und die damit verbundene Kraftwerksinvestition.
Die Schaufeln des Laufrads der Schrägstrom-Pumpturbine sind drehbar und weisen auch bei wechselnder Wasserhöhe und Last eine gute Betriebsleistung auf. Aufgrund eingeschränkter hydraulischer Eigenschaften und Materialfestigkeit betrug die Netto-Fallhöhe Anfang der 1980er Jahre jedoch nur 136,2 Meter (Japans erstes Kraftwerk Takagen). Für höhere Fallhöhen sind Francis-Pumpturbinen erforderlich.
Pumpspeicherkraftwerke verfügen über Ober- und Unterbecken. Bei gleicher Energiespeicherung kann eine Erhöhung der Förderhöhe die Speicherkapazität reduzieren, die Drehzahl der Anlage erhöhen und so die Projektkosten senken. Daher haben sich Hochdruck-Speicherkraftwerke über 300 Meter schnell entwickelt. Die Francis-Pumpturbine mit der weltweit höchsten Förderhöhe wurde im jugoslawischen Kraftwerk Baina Basta installiert und ging dieses Jahr in Betrieb. Seit dem 20. Jahrhundert werden bei Wasserkraftwerken immer höhere Parameter und größere Kapazitäten erreicht. Mit der Zunahme der thermischen Kapazität im Stromnetz und der Entwicklung der Kernenergie bauen Länder weltweit aktiv Pumpspeicherkraftwerke, um das Problem der angemessenen Spitzenlastregelung zu lösen. Außerdem werden Großkraftwerke in wichtigen Wassersystemen energisch entwickelt oder ausgebaut. Dies hat zu einer rasanten Entwicklung von Pumpturbinen geführt.
Als Kraftmaschine, die die Energie des Wasserflusses in rotierende mechanische Energie umwandelt, ist eine Wasserturbine ein unverzichtbarer Bestandteil eines Wasserkraftgenerators. Heutzutage wird der Umweltschutz immer wichtiger, und die Nutzung und Förderung von Wasserkraft, die saubere Energie nutzt, nimmt zu. Um die vielfältigen hydraulischen Ressourcen optimal zu nutzen, haben auch Gezeiten, flache Flüsse mit sehr geringem Gefälle und sogar Wellen große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, was zur rasanten Entwicklung von Rohrturbinen und anderen kleinen Anlagen führte.
Veröffentlichungszeit: 23. März 2022
