Eine Wasserturbine, wobei Kaplan-, Pelton- und Francis-Turbinen die gängigsten sind, ist eine große Rotationsmaschine, die kinetische und potenzielle Energie in Wasserkraft umwandelt. Diese modernen Äquivalente des Wasserrads werden seit über 135 Jahren zur industriellen Stromerzeugung und in jüngerer Zeit auch zur Energiegewinnung aus Wasserkraft eingesetzt.
Wofür werden Wasserturbinen heute eingesetzt?
Heute trägt Wasserkraft 16 % zur weltweiten Stromerzeugung bei. Im 19. Jahrhundert wurden Wasserturbinen vorwiegend zur industriellen Energieerzeugung eingesetzt, bevor sich Stromnetze weit verbreiteten. Heute dienen sie der Stromerzeugung und sind in Staudämmen oder Gebieten mit starkem Wasserfluss zu finden.
Angesichts des rasant steigenden globalen Energiebedarfs und der damit einhergehenden Faktoren Klimawandel und Erschöpfung fossiler Brennstoffe hat Wasserkraft das Potenzial, als grüne Energieform weltweit große Bedeutung zu erlangen. Da die Suche nach umweltfreundlichen und sauberen Energiequellen weitergeht, könnten sich Francis-Turbinen in den kommenden Jahren als sehr beliebte und zunehmend eingesetzte Lösung erweisen.
Wie erzeugen Wasserturbinen Strom?
Der Wasserdruck von natürlich oder künstlich fließendem Wasser dient als Energiequelle für Wasserturbinen. Diese Energie wird aufgefangen und in Wasserkraft umgewandelt. Ein Wasserkraftwerk nutzt in der Regel einen Damm an einem aktiven Fluss zur Wasserspeicherung. Das Wasser wird dann schrittweise freigesetzt, fließt durch die Turbine, versetzt sie in Rotation und treibt einen Generator an, der Strom erzeugt.
Wie groß sind Wasserturbinen?
Wasserturbinen lassen sich anhand der Fallhöhe, unter der sie betrieben werden, in Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen einteilen. Niederdruck-Wasserkraftanlagen sind größer, da die Wasserturbine groß sein muss, um eine hohe Durchflussrate zu erreichen, während auf die Rotorblätter ein niedriger Wasserdruck ausgeübt wird. Hochdruck-Wasserkraftanlagen hingegen benötigen keinen so großen Oberflächenumfang, da sie zur Energiegewinnung aus schneller fließenden Wasserquellen dienen.
Diagramm zur Erläuterung der Größe der verschiedenen Teile eines Wasserkraftsystems, einschließlich der Wasserturbine
Ein Diagramm, das die Größe der verschiedenen Wasserkraftsystemteile einschließlich der Wasserturbine erklärt
Nachfolgend erläutern wir einige Beispiele für verschiedene Arten von Wasserturbinen, die für unterschiedliche Anwendungen und Wasserdrücke eingesetzt werden.
Kaplan-Turbine (0–60 m Druckhöhe)
Diese Turbinen werden als Axialströmungs-Reaktionsturbinen bezeichnet, da sie den Druck des durchfließenden Wassers verändern. Die Kaplan-Turbine ähnelt einem Propeller und verfügt über verstellbare Schaufeln, um die Effizienz über verschiedene Wasser- und Druckniveaus hinweg zu maximieren.
Ein Kaplan-Turbinendiagramm
Pelton-Turbine (300 m – 1600 m Druckhöhe)
Die Peltonturbine – oder das Peltonrad – ist eine Impulsturbine, die Energie aus fließendem Wasser gewinnt. Diese Turbine eignet sich für Anwendungen mit hohem Fallhöhenniveau, da sie einen hohen Wasserdruck benötigt, um Kraft auf die löffelförmigen Schaufeln auszuüben und die Scheibe in Rotation zu versetzen und so Strom zu erzeugen.
Peltonturbine
Francis-Turbine (60 m – 300 m Druckhöhe)
Die letzte und bekannteste Wasserturbine, die Francis-Turbine, deckt 60 % der weltweiten Wasserkraft ab. Als Prall- und Reaktionsturbine mit mittlerer Fallhöhe kombiniert die Francis-Turbine axiale und radiale Strömungskonzepte. Dadurch schließt die Turbine die Lücke zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbinen, schafft ein effizienteres Design und stellt Ingenieure vor die Herausforderung, dieses weiter zu verbessern.
Genauer gesagt funktioniert eine Francis-Turbine so, dass Wasser durch ein Spiralgehäuse in (statische) Leitschaufeln fließt, die den Wasserfluss zu den (beweglichen) Laufradschaufeln steuern. Durch die kombinierten Aufprall- und Reaktionskräfte zwingt das Wasser das Laufrad in Rotation und verlässt das Laufrad schließlich durch ein Saugrohr, das den Wasserstrom in die Umgebung ableitet.
Wie wähle ich ein Wasserturbinendesign aus?
Die Wahl des optimalen Turbinendesigns hängt oft von der verfügbaren Förderhöhe und Durchflussrate ab. Sobald Sie den nutzbaren Wasserdruck ermittelt haben, können Sie entscheiden, ob eine geschlossene Reaktionsturbine wie die Francis-Turbine oder eine offene Impulsturbine wie die Pelton-Turbine die bessere Wahl ist.
Wasserturbinendiagramm
Abschließend können Sie die erforderliche Drehzahl Ihres geplanten Stromgenerators ermitteln.
Veröffentlichungszeit: 15. Juli 2022
