Die Wasserturbine ist eine Turbomaschine aus dem Bereich der Strömungsmaschinen. Bereits um 100 v. Chr. entstand der Prototyp der Wasserturbine, das Wasserrad. Damals diente es hauptsächlich dem Antrieb von Maschinen zur Getreideverarbeitung und Bewässerung. Das Wasserrad, eine mechanische Vorrichtung, die Wasserströmung als Energiequelle nutzt, entwickelte sich zur heutigen Wasserturbine, deren Anwendungsbereich sich ebenfalls erweitert hat. Wo werden moderne Wasserturbinen also hauptsächlich eingesetzt?
Turbinen werden hauptsächlich in Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt. Liegt die Netzlast unterhalb der Grundlast, können sie als Wasserpumpe genutzt werden, um überschüssige Stromerzeugungskapazität zu nutzen und Wasser vom unteren zum oberen Speicherbecken zu pumpen, wodurch potenzielle Energie gespeichert wird. Bei höherer Netzlast fungieren sie als Wasserturbine und erzeugen Strom zur Deckung von Lastspitzen. Reine Pumpspeicherkraftwerke können daher die Netzleistung nicht erhöhen, aber die Wirtschaftlichkeit der thermischen Kraftwerksblöcke verbessern und den Gesamtwirkungsgrad des Stromnetzes steigern. Seit den 1950er Jahren erfreuen sich Pumpspeicherkraftwerke weltweit großer Beliebtheit und haben sich rasant weiterentwickelt.
Die meisten Pumpspeicherkraftwerke, die in der Frühphase oder mit hoher Fallhöhe entwickelt wurden, sind als Drei-Maschinen-Anlagen ausgeführt, bestehend aus Generator, Wasserturbine und Wasserpumpe in Reihe. Der Vorteil liegt darin, dass Turbine und Pumpe separat konstruiert sind und somit jeweils einen höheren Wirkungsgrad erzielen. Die Anlage dreht sich beim Stromerzeugen und Pumpen in die gleiche Richtung und kann schnell zwischen Stromerzeugung und Pumpbetrieb umschalten. Zudem kann die Turbine zum Anfahren der Anlage genutzt werden. Der Nachteil besteht in den hohen Kosten und dem damit verbundenen hohen Investitionsbedarf für das Kraftwerk.
Die Schaufeln des Laufrads der Schrägstrom-Pumpenturbine sind drehbar, und sie arbeitet auch bei wechselnder Fallhöhe und Last noch gut. Aufgrund der begrenzten hydraulischen Eigenschaften und der Materialfestigkeit betrug ihre Nettofallhöhe Anfang der 1980er Jahre jedoch nur 136,2 Meter (Kraftwerk Takagen 1, Japan). Für höhere Fallhöhen sind Francis-Pumpenturbinen erforderlich.
Das Pumpspeicherkraftwerk verfügt über ein oberes und ein unteres Speicherbecken. Bei gleicher Speichermenge kann eine Erhöhung der Förderhöhe die Speicherkapazität verringern, die Drehzahl der Anlage erhöhen und die Projektkosten senken. Daher haben sich Hochdruck-Energiespeicherkraftwerke mit Fallhöhen über 300 Metern rasant entwickelt. Die Francis-Pumpturbine mit der weltweit größten Fallhöhe ist im Kraftwerk Baina Basta in Jugoslawien installiert und ging dort vor einem Jahr in Betrieb. Seit dem 20. Jahrhundert entwickeln sich Wasserkraftanlagen hin zu hohen Leistungsparametern und großen Kapazitäten. Mit dem Ausbau der thermischen Kraftwerkskapazität und der Entwicklung der Kernenergie, um das Problem der angemessenen Spitzenlastregelung zu lösen, bauen Länder weltweit neben dem Ausbau von Großkraftwerken in großen Wassersystemen verstärkt Pumpspeicherkraftwerke, was zu einer rasanten Entwicklung von Pumpturbinen geführt hat.
Als Kraftmaschine, die die Energie des Wasserflusses in rotierende mechanische Energie umwandelt, ist die Wasserturbine ein unverzichtbarer Bestandteil eines Wasserkraftwerks. Angesichts der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes gewinnt die Nutzung und Förderung der Wasserkraft als sauberer Energiequelle immer mehr an Bedeutung. Um die vielfältigen hydraulischen Ressourcen optimal zu nutzen, rücken Gezeiten, flache Flüsse mit geringem Gefälle und sogar Wellen immer stärker in den Fokus, was zu einer rasanten Entwicklung von Rohrturbinen und anderen kleinen Anlagen geführt hat.
Veröffentlichungsdatum: 23. März 2022
