Technologiebeschreibung .1 Aktuelle Technologien

Die wichtigsten Bestandteile von Kleinwasserkraftwerken sind generell eine Wehranlage, heute meist eine robuste Betonkonstruktion, welche grössere Wassermassen ableiten und deren Stabilität auch bei Hochwasser gewährleistet bleiben muss, eine Turbine, welche die potenzielle Energie des strömenden Wassers nutzbar macht sowie ein Generator zur Stromerzeugung. Moderne Anlagen beinhalten teilweise auch ein Getriebe, um aus ökonomischen Gründen die Verwendung eines schnelllaufenden Generators zu ermöglichen. Bei Hochdruckkraftwerken kommt noch eine stabile Druckleitung aus Kunststoff, glasfaserverstärktem Polyesterharz, Gusseisen oder Stahl hinzu, welche zwischen der Wasserfassung und der Turbine liegt. Weitere Bestandteile sind die Restwasserstrecke, oft ein Sandfang, eine Rechenanlage zur Entfernung von Schwemmgut sowie eine Fischtreppe oder ein Umgehungsgerinne (Chapallaz & Eichenberger 1993, Lorenzoni et al. 2001). Bei Trink- und Abwasserkraftwerken werden Turbinen in bestehende Wasserleitungen integriert, der zusätzliche Aufwand ist hier sehr gering.

Die Wahl der geeigneten Turbine wird hauptsächlich durch die genutzte Fallhöhe und die Wassermenge bestimmt. Peltonturbinen (Fig. 4.1), bei denen das Wasser aus Düsen auf becherförmige Schaufeln trifft, werden ab einer Fallhöhe von etwa 30 m und bei geringen Wassermengen eingesetzt.

Francisturbinen (Fig. 4.2), bei denen das Wasser durch ein feststehendes Leitrad mit verstellbaren Schaufeln auf die gegen- läufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt wird, befinden sich oft in alten Kleinwasserkraftwerken, werden jedoch wegen des komplizierten Aufbaus und der relativ hohen Kosten heute nur selten eingebaut. Sie sind bei geringen Fallhöhen und grossen Wassermengen geeignet. Kaplanturbinen (Fig. 4.3) und deren Weiterentwicklung, die Rohrturbinen, kommen meist im Niederdruckbereich bei Fallhöhen zwischen zwei und 20 m und bei grossen Wassermengen (mehr als 1 m³/s) zum Einsatz. Diese Turbinenarten, welche in der Regel senkrecht montiert sind und wo das Wasser von oben einströmt, ähneln einem Schiffspropeller. Eine weitere Möglichkeit sind die Durchström- oder Banki-Turbinen, welche sich vor allem durch die einfache und robuste Bauweise auszeichnen und im Nieder- und Mitteldruckbereich eingesetzt werden (Chapallaz & Eichenberger

ahttp://www.smallhydro.ch/deutsch/kwk_ch/statistik/KWK_überblick.htm (6.5.2004).

bhttp://www.smallhydro.ch/deutsch/kwk_ch/statistik/statistik.htm (8.1.2005).

1993). Alle diese Turbinentypen stellen alte und bewährte Technologien dar, in den letzten Jahren gab es dabei keine revolutionären Verbesserungen. Der Wirkungsgrad moderner Kleinturbinen liegt etwa bei 92-93%. Grossturbinen weisen im Gegensatz dazu rund 3-4% höhere Wirkungsgrade auf (Lorenzoni et al. 2001).

Fig. 4.1 Schematische Darstellung einer Pelton-Turbine.

Fig. 4.2 Schematische Darstellung einer Francis-Turbine.

Neben diesen klassischen Turbinen kann in Kleinwasserkraftwerken zur Stromerzeugung auch die so genannte Wasserkraftschnecke, welche im Prinzip einer umgekehrten archimedischen Schraube entspricht, eingesetzt werden. Fig. 4.4 zeigt ein Bild einer 8.5 kW-Anlage mit einer genutzten Fallhöhe von 1.1 m und einem Wasserzulauf von 1040 l/s sowie eine 65 kW-Anlage mit einer genutzten Fallhöhe von 2.4 m und einem Wasserzulauf von 3700 l/s.^a Mit Wasserkraftschnecken können auch minimale Wasserkraftpotenziale ab 1 kW Leistung nutzbar gemacht werden. Der bauliche Aufwand bei Verwendung einer Wasserkraftschnecke im Vergleich zu Turbinen ist deutlich geringer, wodurch auch die Kosten gering gehalten werden können. Die Schnecken sind wenig empfindlich gegen Schwemmgut, es genügt ein grober Personenschutzrechen zum Schutz am Einlauf.

Dadurch verringern sich die Kosten für die Rechenreinigung und Geschwemmselbehandlung drastisch. Bei guter Wartung läuft die Maschine ohne wesentlichen Luft- und Körperschall (Leutwiler 2002). Ausserdem lassen sich Wasserkraftschnecken mit geringem Aufwand optimal in die Umgebung einfügen, ohne störend zu wirken. Mögliche Einsatzgebiete sind der Ersatz kleiner, sanierungsbedürftiger Turbinenanlagen, die Nutzung des Wasserauslaufs von Kläranlagen, oder Nutzung von kleinen Wasserkräften an ehemaligen Bewässerungswehren.^b Es können Wasserströme bis 5500 l/s bei Fallhöhen bis zu 10 m genutzt werden. Als obere Leistungsgrenze werden 300 kW angegeben, der Wirkungsgrad beträgt bis zu 90%. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wanderbewegung der Fische meist ungehindert stattfinden kann.^c

Fig. 4.4 Wasserkraftschnecken: 8.5 kW und 65 kW.^d

Der produzierte Strom wird von der genutzten Nettofallhöhe, der Abflussmenge und dem Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks bestimmt. Die Wirkungsgrade der in (Baumgartner & Doka

ahttp://www.ritz-atro.de/deutsch/5_service/5_3_2_wks3.htm (2.12.2004).

bhttp://www.ritz-atro.de/deutsch/3_wks/3_2_einsatzgebiete.htm (2.12.2004).

chttp://www.ritz-atro.de/shared/documents/prospekte/wks/Wasserkraftschnecken_DE.pdf (2.12.2004).

dhttp://www.ritz-atro.de/deutsch/5_service/5_3_2_wks3.htm (2.12.2004).

1996) untersuchten Anlagen liegen zwischen 0.7 und 0.84, laut (IEA 2003) liegen typische Wirkungsgrade zwischen 0.7 und 0.85, wobei für alte und kleine Anlagen ein Minimalwert von 0.6 angegeben wird, für grössere und moderne Anlagen ein Maximalwert von 0.9. Der Wirkungsgrad alleine lässt aber noch keine Rückschlüsse auf die jährliche Stromproduktion zu, hier muss bei natürlichen Gewässern auch noch die Wasserstandsführung im Lauf des Jahres berücksichtigt werden.

Bei Niedrigwasser kann oft nicht mit voller Turbinenleistung Strom produziert werden. So liegt die Anzahl der Volllaststunden bei den in (Bretscher & Gutzwiller 2003, Binder & Burri 2003, Binder &

Burri 2001, eps 2001, Hunziker 2002, Kunz & Meng 2003, Liesch 2003, Müller 2002, Odermatt &

Ettlin 2001, Schmid & Bonato 2003, Wohlfender et al. 2002) beschriebenen Kleinwasserkraftwerken zwischen knapp 3000 kWh/a und ca. 7700 kWh/a pro Kilowatt installierter Leistung.

4.2.2 Zukünftige Technologien

Da die aktuelle Technik der heute für Kleinwasserkraftwerke verwendeten Komponenten als ausgereift gilt und höchstwahrscheinlich in Zukunft auch kein grosser Aufwand zur etwaigen Optimierung betrieben wird, sind aus technologischer Sicht bis zum Jahr 2050 keine revolutionären Verbesserungen zu erwarten. Bei den Turbinen liegen die Optimierungsbestrebungen momentan auf der Verwendung von alternativen Materialien – Verbundstoffe, welche auch auf dem Kostensektor mit traditionellen Materialien konkurrenzfähig sind – und der möglichen Nutzung von Fallhöhen unter 2.5 m – 3 m, welche derzeit unter normalen Umständen kaum genutzt werden. Verbesserungspotenzial besteht noch bei der Automatisierung des Betriebs und der Überwachung der Anlagen, da diese Aspekte auch bedeutende Kostenfaktoren darstellen. Der Trend geht hier in Richtung internet-basierter Überwachung und Steuerung, um auf Personal weit gehend verzichten zu können und die Betriebskosten gering zu halten (Lorenzoni et al. 2001).

Eine interessante Neuentwicklung stellt die StrafloMatrix-Turbine, eine Weiterentwicklung des HYDROMATRIX-Konzepts, dar. Das Konzept der HYDROMATRIX-Turbine ist die innovative Anwendung einer bewährten Technologie zur besonders ökonomischen Nutzung bereits vorhandener Staudämme oder Wehranlagen mit geringen Fallhöhen (Bihlmayer & Koleber 2004). In einer Art Baukastensystem ist eine Vielzahl kleiner, identischer Turbinen-Generatoreinheiten in einem gemeinsamen Rahmen in Matrix-Form angeordnet.^a Die Besonderheit der StrafloMatrix-Turbine ist deren Ausführung des Generators.^b Das Turbinenlaufrad dient dabei gleichzeitig als Träger des Generatorrotors. Die dadurch resultierende kompaktere Bauweise ist wirtschaftlicher und weist insbesondere bei engen Platzverhältnissen Vorteile auf, was bei Kleinwasserkraftwerken oft eine bedeutende Rolle spielt. Mittlerweile sind diese Turbinenkonzepte bereits in sechs Anlagen im Praxisbetrieb oder in Planung (VATech 2004a, VATech 2004b, VATech 2004c).^c Fig. 4.5 zeigt eine Testanlage im oberösterreichischen Agonitz, Fig. 4.6 die Darstellung einer StrafloMatrix-Turbine.

Fig. 4.5 HYDROMATRIX Testanlage im oberösterreichischen Kleinwasserkraftwerk Agonitz (Bihlmayer & Koleber 2004).

Fig. 4.6 Darstellung einer StrafloMatrix-Turbine.^a

4.3 Potenzial zur Stromerzeugung