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 Nachfolger des Wasserrads werden seit über 135 Jahren zur industriellen Stromerzeugung und seit Kurzem auch zur Wasserkraftnutzung eingesetzt.
Wozu werden Wasserturbinen heute eingesetzt?
Heute trägt Wasserkraft zu 16 % der weltweiten Stromerzeugung bei. Im 19. Jahrhundert wurden Wasserturbinen vorwiegend für die industrielle Stromerzeugung genutzt, bevor sich Stromnetze flächendeckend ausbreiteten. Heutzutage dienen sie der Stromerzeugung und sind in Staudämmen oder Gebieten mit starkem Wasserdurchfluss zu finden.
Angesichts des rasant steigenden globalen Energiebedarfs und Faktoren wie Klimawandel und schwindender fossiler Brennstoffe birgt Wasserkraft das Potenzial, weltweit einen bedeutenden Beitrag zur grünen Energieversorgung zu leisten. Im Zuge der anhaltenden Suche nach umweltfreundlichen und sauberen Energiequellen könnten sich Francis-Turbinen in den kommenden Jahren als sehr beliebte und zunehmend verbreitete Lösung erweisen.
Wie erzeugen Wasserturbinen Strom?
Der Wasserdruck, der durch natürlich oder künstlich fließendes Wasser entsteht, dient als Energiequelle für Wasserturbinen. Diese Energie wird aufgefangen und in Strom umgewandelt. Ein Wasserkraftwerk nutzt in der Regel einen Staudamm an einem Fluss, um Wasser zu speichern. Das Wasser wird dann portionsweise abgelassen, fließt durch die Turbine, treibt diese an und aktiviert einen Generator, der anschließend Strom erzeugt.
Wie groß sind Wasserturbinen?
Je nach Fallhöhe lassen sich Wasserturbinen in Hoch-, Mittel- und Niedrigfallturbinen einteilen. Niedrigfallturbinen sind größer, da die Turbine groß sein muss, um bei geringem Wasserdruck an den Schaufeln einen hohen Durchfluss zu erzielen. Hochdruckturbinen hingegen benötigen keinen so großen Turbinenumfang, da sie die Energie schnell fließender Gewässer nutzen.
Diagramm zur Veranschaulichung der Größe der verschiedenen Komponenten eines Wasserkraftsystems, einschließlich der Wasserturbine.
Eine Tabelle, die die Größe der verschiedenen Komponenten eines Wasserkraftsystems einschließlich der Wasserturbine erläutert.
Im Folgenden werden wir einige Beispiele für verschiedene Arten von Wasserturbinen erläutern, die für unterschiedliche Anwendungen und Wasserdrücke verwendet werden.
Kaplan-Turbine (0-60 m Fallhöhe)
Diese Turbinen werden als Axialturbinen bezeichnet, da sie den Druck des durchströmenden Wassers verändern. Die Kaplan-Turbine ähnelt einem Propeller und verfügt über verstellbare Schaufeln, um die Effizienz über einen breiten Bereich von Wassermengen und Drücken zu maximieren.
Ein Kaplan-Turbinendiagramm
Peltonturbine (300 m - 1600 m Fallhöhe)
Die Peltonturbine – auch Peltonrad genannt – ist eine Impulsturbine, die Energie aus fließendem Wasser gewinnt. Sie eignet sich besonders für Anwendungen mit hoher Fallhöhe, da sie einen hohen Wasserdruck benötigt, um die löffelförmigen Schaufeln anzutreiben und so die Rotation der Scheibe und damit die Stromerzeugung zu ermöglichen.
Pelton-Turbine
Francis-Turbine (60 m - 300 m Fallhöhe)
Die Francis-Turbine, die letzte und bekannteste Wasserturbine, erzeugt 60 % der weltweiten Wasserkraft. Als Impuls- und Reaktionsturbine arbeitet sie bei mittlerer Fallhöhe und kombiniert axiale und radiale Strömungsprinzipien. Dadurch schließt sie die Lücke zwischen Hoch- und Niederdruckturbinen, ermöglicht ein effizienteres Design und stellt Ingenieure bis heute vor die Herausforderung, sie weiter zu verbessern.
Genauer gesagt funktioniert eine Francis-Turbine, indem Wasser durch ein spiralförmiges Gehäuse in (statische) Leitschaufeln strömt, welche den Wasserfluss zu den (beweglichen) Laufradschaufeln steuern. Durch die kombinierte Wirkung von Stoß- und Reaktionskräften versetzt das Wasser das Laufrad in Rotation und tritt schließlich durch ein Saugrohr in die Umgebung aus.
Wie wähle ich ein Wasserturbinen-Design aus?
Die Wahl des optimalen Turbinendesigns hängt oft von einem Faktor ab: der verfügbaren Förderhöhe und Durchflussmenge. 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 besser geeignet ist.
Diagramm einer Wasserturbine
Abschließend können Sie die erforderliche Drehzahl Ihres geplanten elektrischen Generators festlegen.
Veröffentlichungsdatum: 15. Juli 2022
