Hightech im Kraftwerk

Effizientere und naturverträgliche Stromproduktion

Fragestellungen beschäftigen. Wie kann Ökologie und Ökonomie in Einklang gebracht werden? Wie kann am effektivsten zur Erreichung die Energieziele beigetragen werden? Vielen der immer wiederkehrenden Herausforderungen und Diskussionen kann mithilfe neuer, innovativer Technologien begegnet werden – und genau damit beschäftigt sich das Paper „A comprehensive review of novel technologies for hydropower and strategic opportunities for Europe“ – zu Deutsch: Eine umfassende Übersicht über neuartige Technologien der Wasserkraft und strategische Chancen für Europa. Dabei werden drei Themenbereiche vorgestellt: Maßnahmen zu besseren Umweltverträglichkeit, Ideen zum effektiveren Fischschutz und Möglichkeiten der Digitalisierung.

Turbinentechnologien für eine (noch) bessere Umweltverträglichkeit

Im Paper wird Ideen nachgegangen, wie Turbinen so gebaut werden können, dass der Einfluss auf die Umwelt weiter minimiert bzw. verbessert wird. Ein Beispiel sind dabei „auto-venting-turbines“ (AVT). Das sind Turbinen, die eine „Belüftung“ des Wassers ermöglichen. Die Blasenverteilung im Saugrohr wird maximiert und gleichzeitig die Sauerstoffkonzentration verbessert.

Nicht nur für die Umweltfreundlichkeit, sondern auch für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage ist die Weiterentwicklung von ölfreien Turbinen sinnvoll. In der gesamten EU werden in Wasserkraftwerken etwa 22.000 Tonnen Öl und Schmierstoffe verwendet. Dadurch entstehen nicht nur Kosten in Höhe von etwa 116 Millionen Euro, sondern auch bis zu 100.000 Tonnen an CO2- Emissionen. Daher wird nicht nur an gänzlich ölfreien Turbinen weitergeforscht, die Wasser verwenden, sondern auch an wasserbasierten Schmierstoffen.

Turbinentechnologien für besseren Fischschutz

Neben der Umwelt spielt auch der Fischschutz eine wichtige Rolle. Neben Fischauf- bzw. Abstiegen sind dabei auch fischfreundliche Turbinen Thema. Aktuelle Übersichtsarbeiten beschreiben eine Vielzahl interessanter Technologien:

Die Alden-Turbine hat eine langsame Drehzahl und nur drei, vergleichsweise dicke und langsam rotierende Schaufeln, um die Fischsterblichkeit durch Schaufelaufprall zu reduzieren. Die Überlebensrate der Fische beträgt dabei mehr als 98%.
Archimedische Schrauben: Auf dem Prinzip der archimedischen Schraube beruhen die sogenannten Wasserkraftschnecken. Diese ermöglichen den Fischaufstieg während gleichzeitig Strom gewonnen wird.
VLH-Turbinen (very-low-head = sehr niedrige Fallhöhe) haben besonders geringe Drehzahlen, etwa 20 – 30 Umdrehungen pro Minute. Gepaart mit der geringen Höhendifferenz zwischen Ober- und Unterwasser können Fische problemlos passieren.
Dive-Turbinen haben durch ein offenes Kammerkonzept ohne Spirale und eine flexible Drehzahlregelung ein verbessertes Fischpassageverhalten, insbesondere im Teillastbetrieb.

Für größere Fallhöhen ist jedoch die Vermeidung des Turbinendurchgangs entscheidend, da der physiologische Stress für Fische hier grundsätzlich sehr hoch ist. Auch wenn bei den meisten Kraftwerken die gefahrlose Passage durch Fischwanderhilfen ohnehin gegeben ist, stellen derartige Turbinen trotzdem einen zusätzlichen Schutz dar.

Zukunft Digitalisierung

Die Digitalisierung ist in aller Munde – egal, ob es sich noch um SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition, ein Steuerungssystem zur Erfassung, Analyse und Visualisierung von Daten) oder bereits um künstliche Intelligenz handelt.

Digitale Technologien können die Effizienz im Mittel laut der Studie um etwa 1% steigern, Überläufe und Abregelungen um bis zu 10% reduzieren und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Neben ökonomischen Vorteilen ergeben sich auch ökologische Mehrwerte, etwa durch eine verbesserte Betriebsführung und ein effizienteres Umweltmanagement.

Die Digitalisierung gilt inzwischen als entscheidender Hebel für Effizienz und Betriebssicherheit: Eine Umfrage zum Digitalisierungsgrad europäischer Wasserkraftwerke ergab, dass bei Weitem nicht alle Kraftwerke mit SCADA-Systemen ausgestattet sind: 40% der Befragten gaben an, dass weniger als die Hälfte der Wasserkraftwerke in ihrem jeweiligen Land solche Systeme besitzen, 60%, hingegen, dass zumindest jedes zweite Kraftwerk über ein SCADA-System verfügt.

Das Fazit: Um nicht nur für das individuelle Kraftwerk auf validen Daten basierende Entscheidungen treffen zu können, sondern auch um mehr Daten über die verschiedenen Funktionen und Einflüsse der Wasserkraft im Allgemeinen zu erhalten, sollte die Digitalisierung europäischer Kleinwasserkraftwerke in der nahen Zukunft klare Priorität haben.

Insbesondere bei Neubauten sind auch digitale Zwillinge eine spannende Entwicklung. Das ist ein virtuelles Abbild des Kraftwerks, das über eingehende Sensordaten in Echtzeit aktualisiert wird. Er ermöglicht Simulationen, Analysen und Prognosen, um Leistungen zu optimieren und Wartungen vorherzusagen.

Derzeit haben in der EU weniger als 15% der Wasserkraftwerke einen solchen Zwilling – vor allem größere Anlagen. Da digitale Zwillinge zudem mit künstlicher Intelligenz zur Vorhersage und Entscheidungsfindung von Verbesserungen verbunden werden können, liegt auch hier eine Nachrüstung auf der Hand und stellt einen wesentlich strategischen Hebel dar, die energetische Ausbeute der Wasserkraft in Europa zu erhöhen.

Sind Sensoren im Kraftwerk verbaut, eröffnet sich ein weiteres Feld: prognostics and health management (PHM). Damit ist gemeint, Daten einzusetzen, um Wartungen vorausschauend durchführen zu können: Der Zustand von Komponenten kann überwacht, Fehler frühzeitig erkannt und die verbleibende Restnutzungsdauer der Komponente vorhergesagt werden.

Fazit

Die Studie fasst zusammen, welche Trends und Technologien die Wasserkraftbranche in den nächsten Jahren vorwärtsbringen können. Neben dem wirtschaftlichen Betrieb müssen auch die Umweltauswirkungen in Betracht gezogen werden. Ökologische Maßnahmen, fischfreundliche Turbinen und die Möglichkeiten der Digitalisierung zeigen, dass dies kein Widerspruch ist. Neben weiterer Forschung ist die praktische Anwendung der vielen Optionen zentral.

Ein gemeinsamer Ansatz ist notwendig: Industrie, Wissenschaft und Politik müssen zusammenarbeiten, um die Herausforderungen der Wasserkraft besser zu verstehen und Lösungen zu entwickeln.

Ein gemeinsamer Ansatz ist notwendig: Industrie, Wissenschaft und Politik müssen zusammenarbeiten, um die Herausforderungen der Wasserkraft besser zu verstehen und Lösungen zu entwickeln. Wasserkraft kann nicht nur Energie liefern, sondern auch neues Wissen schaffen und komplexe Probleme in sensiblen und vielfältigen Umgebungen lösen. Ihre Wirkung geht über die Stromerzeugung hinaus und betrifft das Zusammenspiel von Wasser, Energie, Gesellschaft und Ökosystemen.

Vor allem Politik & Behörden sowie Betreiber*innen sind letztlich gefragt, Vorreiter*innen zu sein – indem sie neue Technologien zulassen und in den laufenden Betrieb implementieren!