Die Wasserturbine ist eine Art Turbinenmaschine aus dem Bereich der Strömungsmaschinen. Bereits um 100 v. Chr. entstand der Prototyp der Wasserturbine. Damals diente sie hauptsächlich dem Antrieb von Maschinen zur Getreideverarbeitung und Bewässerung. Die Wasserturbine, ein mechanisches Gerät, das durch Wasserströmung angetrieben wird, hat sich zur heutigen Wasserturbine weiterentwickelt und ihr Anwendungsbereich hat sich ebenfalls erweitert. Wo werden moderne Wasserturbinen hauptsächlich eingesetzt?
Die Wasserturbine wird hauptsächlich in Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt. Liegt die Netzlast unterhalb der Grundlast, dient sie als Wasserpumpe und nutzt überschüssige Stromerzeugungskapazität, um Wasser vom unteren zum oberen Speicherbecken zu pumpen und so potenzielle Energie zu speichern. Liegt die Netzlast über der Grundlast, erzeugt sie Strom zur Deckung von Lastspitzen. Reine Pumpspeicherkraftwerke erhöhen daher nicht die Gesamtleistung des Stromnetzes, verbessern aber die Wirtschaftlichkeit der thermischen Kraftwerke und erhöhen den Gesamtwirkungsgrad des Stromnetzes. Seit den 1950er Jahren erfreuen sich Pumpspeicherkraftwerke weltweit großer Beliebtheit und haben sich rasant weiterentwickelt.
Die in der Frühphase entwickelten Pumpspeicherkraftwerke oder solche mit hoher Fallhöhe verwenden meist den Drei-Maschinen-Typ, d. h. sie bestehen aus Generator, Wasserturbine und Wasserpumpe in Reihe. Ihr Vorteil liegt in der separaten Auslegung von Turbine und Pumpe, was einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Die Drehrichtung der Anlage ist im Generator- und Pumpbetrieb gleich, wodurch ein schneller Wechsel zwischen Stromerzeugung und Pumpbetrieb möglich ist. Zudem kann die Turbine zum Anfahren der Anlage genutzt werden. Zu den Nachteilen zählen die hohen Kosten und der hohe Investitionsaufwand für das Kraftwerk.
Die Schaufeln der Schrägstrom-Pumpenturbine können sich drehen und gewährleisten auch bei wechselnder Fallhöhe und Last einen guten Betriebszustand. Aufgrund der begrenzten hydraulischen Eigenschaften und der Materialfestigkeit lag die maximale Fallhöhe jedoch Anfang der 1980er Jahre bei lediglich 136,2 m (Kraftwerk Kogen 1 in Japan). Für höhere Fallhöhen sind Francis-Pumpenturbinen erforderlich.
Das Pumpspeicherkraftwerk ist mit einem oberen und einem unteren Speicherbecken ausgestattet. Bei gleicher Speichermenge kann eine Erhöhung der Fallhöhe die Speicherkapazität verringern, die Drehzahl der Anlage erhöhen und die Projektkosten senken. Daher werden Hochdruck-Energiespeicherkraftwerke mit Fallhöhen über 300 Metern rasant entwickelt. Die Francis-Pumpenturbine mit der weltweit höchsten Fallhöhe befindet sich im Kraftwerk Beinabashta in Jugoslawien. Ihre Einzelleistung beträgt 315 MW, die Fallhöhe der Turbine 600,3 Meter; die Pumpe hat eine Fallhöhe von 623,1 m und eine Drehzahl von 428,6 U/min. Sie wurde 1977 in Betrieb genommen. Seit dem 20. Jahrhundert werden Wasserkraftanlagen hinsichtlich ihrer Leistung und Kapazität stetig weiterentwickelt. Angesichts der steigenden Feuerkraftkapazität im Stromnetz und der Entwicklung der Kernenergie bauen Länder weltweit aktiv Pumpspeicherkraftwerke, um das Problem der effizienten Spitzenlastabdeckung zu lösen. Zusätzlich werden große Kraftwerke in großen Wassersystemen massiv ausgebaut oder erweitert. Deshalb haben sich Pumpturbinen rasant weiterentwickelt.
Als Kraftmaschine, die die Energie des Wasserflusses in rotierende mechanische Energie umwandelt, ist die Wasserturbine ein unverzichtbarer Bestandteil von Wasserkraftanlagen. Angesichts des zunehmenden Umweltschutzes gewinnt die Wasserkraft, eine Methode der Stromerzeugung mit sauberer Energie, 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 die rasante Entwicklung von Rohrturbinen und anderen kleinen Anlagen vorangetrieben hat.
Veröffentlichungsdatum: 06.04.2022
