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Neue Wege im Wasserkraftwerksbau

mittels Wasserwirbeltechnik

Technologie mit regenerativer Wirkung auf die Gewässerökologie ­ sauberes Wasser produziert elektrische Energie.

Turbulente Wirbel werden in der Technik vermieden ­ wie jedoch eine einzelne konzentrierte Wirbelströmung Energie bündeln kann, zeigt diese weltweit erste Anlage.

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Technologie zur Aktivierung der Selbstreinigungskräfte von Gewässern und zur wesentlichen Steigerung der Wasserqualität/Gewässergüte Technologie mit ausgleichender Wirkung auf den Temperaturhaushalt von Gewässern Wasserkrafttechnologie mit höchster ökologischer Durchgängigkeit. Kostengünstiger in Errichtung und Betrieb als herkömmliche Wasserkraftwerke.

Anwendungsbereiche · · · · · Energiegewinnung aus Wasserkraft an Standorten mit geringer Fallhöhe und/oder an ökologisch sensiblen Fließgewässern Kleinwasserkraftwerkstechnologie im Leistungsbereich von einigen kW bis etwa 150kW Verbesserung der Wasserqualität in Gewässern Aktive Wasserrückhaltefunktion in Fließgewässern Trinkwasseraufbereitung und Wasserbelüftung

Technologieentwicklung

Die Wasserwirbeltechnik entwickelte sich aus einem Wasserklärsystem für einen Schwimmteich.

Neue Wege im Wasserbau ­ Wasserwirbeltechnik

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Vorbild Natur · · · · · Funktionsweise des Selbstreinigungsprozesses von natürlichen Fließgewässern Ähnlich einer biologischen Klärstufe einer Kläranlage bestimmen Belüftungs- und Abbauzonen das Selbstreinigungsvermögen von Fließgewässern. Der Ausbildungsgrad dieser Klärstufen innerhalb eines Fließgewässers ist ein Indikator für dessen Verunreinigungsgrad. Fließgewässer mit höchster Wasserqualität enthalten nur geringe Mengen an gelösten Nährstoffen. Entsprechend niedrig ist der pflanzliche Bewuchs in den biologischen Abbauzonen. Speziell in unseren regulierten und überwiegend laminar strömenden Gewässern fehlen die Belüftungszonen ­ hier besteht Handlungsbedarf.

Entwicklung von Fließgewässerstrukuren

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Ursprünglich mäanderförmige Fließgewässerstrukturen (linke Abb.) ermöglichen einen intensiven Gasaustausch zwischen Wasser und Luft und sorgen mit Hilfe von Mikroorganismen und Wasserpflanzen für eine höchstmögliche Wasserqualität. In den derzeitig regulierten und mit Sohlstufen ausgestatteten Flussläufen (Abb. Mitte) überwiegt die laminare Fließbewegung. Eine daraus resultierende Sauerstoffverarmung sowie eine verminderte Wasserqualität sind die Folge. Um in Zukunft auch in bestehenden Gewässerstrukturen die Wasserqualität zu steigern, besteht nun die Möglichkeit an den bestehenden Sohlstufen konzentrierte Belüftungszonen durch Rotationsbecken einzubauen (rechte Abb.), die die Selbstreinigungsprozesse wieder aktivieren und den Wasserabfluss im Sinne des Hochwasserschutzes in den Zubringerflüssen verzögern. In den langsamen Fließbereichen zwischen den Rotationsbecken können sich Wasserpflanzen für den biologischen Abbau von Schadstoffen ansiedeln.

Eigenschaften des Gravitationswasserwirbels · · · Durch die Vergrößerung der Wasseroberfläche und Maximierung der Strömungsgeschwindigkeit an der Wasseroberfläche kommt es zu einer natürlichen Wasserbelüftung, die den Schadstoffabbau im Wasser durch Mikroorganismen und Wasserpflanzen zusätzlich unterstützt. Durch die Wasserverwirbelung werden Fremd-/Schadstoffen homogen verteilt, dadurch wird die Angriffsfläche für Mikroorganismen und Wasserpflanzen auf diese Stoffe vergrößert. Die vergrößerte Wasseroberfläche ermöglicht eine erhöhte Abgabe von Verdunstungswärme wodurch sich das Wasser bei steigenden Temperaturen selbst abkühlen kann. Im Winter baut sich an der Randzone des Wirbels eine Eisschicht auf, die als Isolierschicht nach außen wirkt und ein weiteres Abkühlen des Wassers im Wirbelzentrum hinauszögert -> das Kraftwerk friert nicht bzw. später zu. Unterstützt wird der Temperaturregulierungsmechanismus des Wirbels durch die Anomalie des Wassers. Der Wirbel konzentriert Wasser mit der höchsten Dichte in seinem Zentrum, das immer gegen 4 Grad Celsius strebt. In den Wirbel zufließendes Wasser über 4 Grad wird abgekühlt, während zufließendes Wasser unter 4 Grad erwärmt wird. Ein derart wohltemperiertes Gewässer kann auch in Zukunft den Artenreichtum an Wasserpflanzen und Lebewesen sichern. Die rotierende Wirbelströmung verzögert den Wasserabfluss und ermöglicht den Einsatz eines WirbelRotationsbeckens als aktives Rückhaltebecken für den Hochwasserschutz.

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Die im Zentrum des Wasserwirbels konzentrierte Rotationsenergie ergibt schließlich neue Möglichkeiten für die Energiegewinnung aus Wasserkraft. Bisher musste man Energie aufwenden um Wasser zu belüften ­ jetzt wird beim Belüftungsprozess Energie gewonnen.

Gravitationswasserwirbelkraftwerk

Die erste Kleinkraftwasseranlage läuft seit September 2005 am öffentlichen Stromnetz. Mit dieser neuen und mehrfach patentierten Technologie konnten bereits im ersten Betriebsjahr 50.000kWh an elektrischer Energie gewonnen werden.

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Flusswasserkraftwerk für Fallhöhen ab 0,7 Meter. Auch aus ökonomischer Sicht werden Kleinstwasserkraftanlagen wieder interessant. Robuste, einfache, wartungsarme Konstruktion. Leistungsbereich von einigen kW bis etwa 150kW. Der Gesamtwirkungsgrad liegt in der Größenordnung herkömmlicher Wasserkraftanlagen ­ Gesamtwirkungsgrad größer 70%. Durchgängig für Fische und damit größte Chancen für eine rasche wasserrechtliche Bewilligung. Durchgängig für Schwemmgut (zB können Glasflaschen ungehindert passieren) ­ ein Grobrechen ist ausreichend. Steigert die Wassergüte durch Schadstoffhomogenisierung und Belüftung.

Technische Spezifikation der bestehenden Anlage · · · · · · · · · Standort mit einer Fallhöhe von 1,6m und einer Durchflussmenge von bis zu 1,3m³/s Derzeit genutzte Fallhöhe 1,3m Derzeit genutzte Durchflussmenge 1m³/s bei einem Beckendurchmesser von 5,5m Mit einem wirkungsgradstarken 11kW Testgenerator wurden bereits über 9,5kW erreicht. Engpassleistung derzeit begrenzt durch einen leichten 7,5kW Generator (Generatorwirkungsgrad kleiner 80%) um möglichst einfach Optimierungsarbeiten durchführen zu können. Maximaler Gesamtwirkungsgrad derzeit 73% bei 0,8m Fallhöhe und 850 l/s ergibt 4,8kW elektrische Leistung bei 6,6kW hydraulischer Leistung Erstes Jahresarbeitsvermögen von rund 50.000kWh. Das entspricht dem elektrischen Energieverbrauch von rund 14 durchschnittlichen österreichischen Haushalten. Investitionskosten abzüglich Förderungen rund 40.000. Zukünftig soll durch eine weiter verbesserte Antriebskonstruktion und einem Wirkungsgrad-optimierten Generator die Leistung um etwa 20 % erhöht werden.

Wasserwirbelturbine · · · · · · Der Turbinenwirkungsgrad der sehr einfachen Turbine liegt über 80%. Für Durchflussmengen im Verhältnis 1 zu 3 ist keine Regelung notwendig. Eine zusätzliche Durchflussmengenregelung erhöht den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb. Die Turbine kann sowohl für konstante als auch für unterschiedliche Drehzahlen ausgelegt werden. Die geringe Turbinendrehzahl schließt eine Gefährdung für Fische aus. Die Turbine ist unempfindlich für Schwemmgut, wodurch auf einen Feinrechen vor der Turbine verzichtet werden kann.

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Einlaufkanal samt Streichwehr und Grobrechen.

Turbinenauslauf

Freiluftschaltschrank

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Kostenvergleich einer Kleinwasserkraftanlage mit 10kW Engpassleistung

Kostenvergleich in Kleinwasserkraftanlage mit 10kW Engpassleistung Plan/Genehmigungen Turbinenkammer Turbinenhaus Rotationsbecken Turbine Tragekonstruktion Getriebe Generator Einlaufschütz Grobrechen Feinrechen Feinrechenreinigungsanlage Elektro-Schaltkasten Elektro-Freiluftschaltkasten Einspeiseleitung Gesamtinvestition Jahresarbeitsvermögen/Ertrag p.a. Ertrag nach 25 Jahren Reparaturkosten nach 25 Jahren Bilanz nach 25 Jahren Reparaturkosten n. weiteren 25 Jahren Bilanz nach 50 Jahren Gravitationswasserwirbelkraftwerk -4.000 -20.000 -5.000 -10.000 -3.000 -2.000 -3.000 -2.000 Herkömmliches Wasserkraftwerk -4.000 -15.000 -20.000 -30.000 -2.000 -2.000 -3.000 -2.000 -3.000 -15.000 -4.000 -5.000 -105.000 62.000kWh/+3.720 +93.000 -20.000 -32.000 -20.000 +41.000

-3.000 -5.000 -57.000 52.000kWh/+3.120 +78.000 -7.000 +14.000 -7.000 +85.000

Rechenbeispiel ohne eventuelle Finanzierungskosten und ohne Einbeziehung von Fördermittel.

Unterschiede zu herkömmlichen Flusswasserkraftwerken

Gravitationswasserwirbelkraftwerk Leistungsbereich bis etwa 150kW Einsatz für geringe Fallhöhen ab 0,7m Gesamtwirkungsgrad über 70% ­ steigt mit geringer werdender Fallhöhe und größer werdenden Rotationsbeckendurchmesser. Bei Durchflussmengenschwankungen im Verhältnis von 1 zu 3 kann auf eine Durchflussregelung verzichtet werden. Das Wirbelkraftwerk ist durchgängig für Schwemmgut. Ein Feinrechen vor der Turbine ist nicht notwendig. Im Gegensatz zu herkömmlichen Turbinen wird der Wasserstrom durch die Turbinenschaufeln nicht durchschnitten sondern nur umgelenkt, wodurch eine Gefährdung für Fische nicht mehr gegeben ist. Das Wasser wird an der Oberfläche des Wasserwirbels beschleunigt, belüftet und die Selbstreinigungskräfte des Fließgewässers dadurch aktiviert. Die Wirbelströmung reduziert Temperaturschwankungen im Gewässer. Im Betrieb keine Emissionen. Zusammenfassend können je nach Anwendungsfall die Aufwendungen für eine Durchflussmengenregelung, für eine Feinrechenanlage und für eine Fischaufstiegshilfe entfallen. Flusswasserkraftwerk mit Kaplan- bzw. Francisturbine Leistungsbereich bis zu einigen 100MW Einsatz für Fallhöhen ab 2m Gesamtwirkungsgrad bei Kleinstwasserkraftanlagen zwischen 70 und 80% ­ sinkt mit geringer werdender Fallhöhe. Die aufwendige Durchflussregelung erfolgt über einen verstellbaren Leitapparat und über verstellbare Turbinenschaufeln (doppelt geregelte Kaplanturbine). Feinrechen samt Reinigungsanlage sind zum Schutz der Turbine unbedingt notwendig. Eine Fischdurchgängigkeit kann ­ oft nur mit mäßigem Erfolg ­ über eine Fischtreppe erzielt werden. Extreme Druckunterschiede im Strömungsbereich der Turbine können zur Kavitation und damit zu Schäden an der Turbine als auch zur Zerstörung der Mikrostruktur des Wassers führen.

Eine ökologische Durchgängigkeit des Kraftwerks ist nahezu unmöglich.

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Fließgewässer

Einzigartige Technologie zur Klärung von Fließgewässern

Wasserbelüftung in Kläranlagenbereichen Aktivierung der Selbstreinigungskräfte von Fließgewässern mit Hilfe der Wasserwirbeltechnik. An bestehenden Sohlstufen oder Wehranlagen von Fließgewässern kann das Wasser mit Hilfe von Rotationsbecken speziell bei Niederwasser belüftet werden. Darauf folgt eine langsam durchströmte Wasserzone mit Wasserpflanzen als biologische Abbauzone und dann wieder eine Belüftungszone mit einem Rotationsbecken. Je länger die Kette wird, umso effektiver ist der Klärprozess. Die Selbstreinigungskräfte eines Fließgewässers werden wieder aktiviert und sorgen für eine hohe Wasserqualität. Eine nachhaltig wirksame Wasserklärtechnik für Fließgewässer ohne Energieverbrauch und ohne Abfallstoffe.

Belüftungsbecken an einer Sohlstufe eines Fließgewässers. Das Becken kann aus Natursteinen, Beton, Holz, etc. gefertigt werden. Je nach Dimensionierung sind bereits bei 0,4m Fallhöhe Belüftungszeiten von 5 Minuten und mehr möglich. Der Wasserwirbel arbeitet unzählige kleine Luftblässchen in das Wasser ein. Das mit Sauerstoff angereicherte Wasser unterstützt den Abbauprozess von Schadstoffen durch Mikroorganismen und Wasserpflanzen und führt zu einer Klärung des Fließgewässers. Die Wasserwirbeltechnik entwickelte sich aus einem Wasserklärsystem für einen Schwimmteich. Die natürliche Wasserklärung in Gewässern erfolgt durch Mikroorganismen und Wasserpflanzen. Mit der Wasserwirbeltechnik wird der Abbauprozess von Schadstoffen und Nährstoffen im Wasser aktiviert und beschleunigt. Langsame Fließgewässer neigen zu einer Verschlammung und Sauerstoffverarmung. Und genau hier setzt das Belüftungssystem an. In einem Rotationsbecken ist das Wasser einige Minuten lang in Bewegung, vergrößert seine Oberfläche und maximiert dort die Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ein natürlicher Gasaustausch zwischen Wasser und Luft möglich wird. Der Sauerstoff bindet sich durch die Drehbewegung des Wasserwirbels im Rotationsbecken besonders gut an das Wasser und steht so den Mikroorganismen zum Abbau von Schadstoffen zur Verfügung. Ausgezeichnet mit dem NEPTUN Wasserpreis.

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