Revolution der Wasserkraft: Komposit-getriebene Turbinenschaufeln für höhere Effizienz

Der Begriff "Wasserkraft" ruft oft riesige Anlagen in den Sinn, die von eigens gebauter Infrastruktur wie Staudammsystemen und großen Turbinen mit traditionell metallischen, propellerbasierten Turbinenschaufeln angetrieben. Doch vielen Gebieten geht der Platz für neue große, leistungsstarke Wasserkraftwerke aus. Gleichzeitig wächst die Nachfrage nach mehr und kostengünstigerer erneuerbarer Energieerzeugung.

Das US-Energieministerium (DOE) sagte in seinem "Hydropower Vision"-Bericht 2018, der den aktuellen Stand der Wasserkraft in den USA und zukünftige Ziele darlegt, voraus, dass das Wachstum des US-Wasserkraftmarktes – von 101 Gigawatt (GW) Kapazität 2018 auf potenziell fast 150 GW 2050 – neue fortschrittliche Technologien erfordern würde, die mehr Energie bei geringeren Kosten liefern können.

Kleinere Generatoren für ungenutzte Niedrigstromsysteme

Eine potenzielle Lösung könnten kleinere Wasserkraftgeneratoren sein, die ungenutzte Energie aus Niedrigstromsystemen wie Bewässerungskanälen und Bächen nutzen, so Darren Wren, General Manager bei Kinetic NRG (Gold Coast, Australien). Das 2016 von dem verstorbenen Gründer Paul Camilleri gegründete, privat finanzierte Unternehmen Kinetic NRG konzentriert sich auf die Entwicklung neuer hydrobetriebener Generationstechnologie für kostengünstigen, zuverlässigen Strom.

Die erste Technologie des Unternehmens heißt Hydro-kinetic Energy Generator (HEG) System, misst 1,5 Meter im Durchmesser und liefert eine Leistung von bis zu 30 Kilowatt (kW) bei Wasserströmungen von 2,0 Metern pro Sekunde. Diese Leistung klassifiziert es laut U.S. DOE als "Mikro"-Wasserkraftsystem (bis 100 kW Kapazität). Es ist für den direkten Einsatz in Flüssen, Bewässerungskanälen oder Abflusskanälen bestehender Staudämme konzipiert und für Niedrigdruck-Wasserkraft ausgelegt – der "Druck" bzw. die Höhendifferenz zwischen Wasserspiegel und Turbine beträgt weniger als 20 Meter.

Entwicklung eines modularen, herstellbaren Blatts

Die Entwicklung des HEG und seiner Spiral-Turbinenschaufel dauert etwa fünf Jahre, sagt Wren. "Es war eine ziemliche Reise. Das Design, das wir jetzt haben, entstand buchstäblich durch Versuch und Irrtum."

Die ersten kleinen Spiralblatt-Modelle von Kinetic NRG waren aus Metall gefertigt, aber bei der Herstellung des vollskaligen 1,5-Meter-Prototyps stellte sich heraus: "Wir konnten es eigentlich nicht fertigen", so Wren. Das Konzept bestand darin, von einem flachen Metallstück auszugehen und dann eine Reihe von Spiralen, die vom Zentrum ausstrahlen, zu formen oder zu schmieden. "Wir fanden einfach keinen Weg, bestimmte Punkte des Teils zu erreichen, um die benötigte Festigkeit zu erzeugen."

Das Unternehmen gab die metallischen Versuche auf, nicht aber das Design. Wren berichtet, dass Kinetic NRG mit einer lokalen Universität zusammenarbeitete, um alternative Fertigungstechniken und Materialien wie Nylon oder Keramik zu erforschen, und mit 3D-Druckunternehmen sprach, um zu prüfen, ob additive Fertigung eine Option sei. Dennoch bot keine Lösung die richtige Kombination aus Fertigbarkeit und mechanischen Eigenschaften. Schließlich, nach einer dreijährigen Reise, wurde Kinetic NRG über eine Liefernetzwerk-Verbindung mit dem Team von Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Melbourne) bekannt gemacht, das auf Design und Fertigung von Kleinserien, hochwertigen Kompositkomponenten für verschiedene Endmärkte spezialisiert ist.

Wren nennt das Folgende "ein Zusammentreffen der Geister": Kinetic NRG arbeitete mit Paul Falzon, General Manager bei ACS-A, und seinem Team an verschiedenen Methoden zur Herstellung und Gestaltung des Teils mit Kompositmaterialien – Materialien, von denen ACS-A aus Erfahrung wusste, dass sie die von Kinetic NRG benötigten Form-, Gewichts- und Steifigkeitsanforderungen erfüllen könnten.

Innovative Blattform als zentrale Designherausforderung

Die innovative Blattform war die zentrale Designherausforderung. Die mechanischen Anforderungen basierten auf Standards des U.S. DOE und der International Electrotechnical Commission. Die übrigen Systemkomponenten – Getriebe, Energiemanagement, Kommunikation etc. – sind Standardprodukte, die alle erforderlichen Vorschriften erfüllen.

Laut Falzon bewertete ACS-A zunächst die metallischen Versuche des Blattdesigns und ermittelte dann, wie die erforderliche Form, Maßhaltigkeit und Gewicht des Blatts erreicht werden können. Das Blatt musste auch aquatischen Umgebungen standhalten und steif genug sein, um den Stahlwellen der Turbine, an der es befestigt ist, zu tragen. Das ACS-A-Team startete mit dem ursprünglichen Metalldesign und "reverse-engineerte" ein Glasfaser-Kompositblatt, um die ursprüngliche Steifigkeit zu erreichen. Beim Wechsel von einer geschweißten, metallgeformten Struktur zu einem Kompositlaminat waren jedoch Designänderungen nötig. Wie Falzon erklärt: "Wir traten einen Schritt zurück und fragten: 'Okay, wenn wir die Vorteile von Kompositmaterialien voll ausschöpfen wollen, wie sieht dieses Teil dann aus?'"

Nach mehreren Iterationen und Diskussionen setzt das aktuelle Design auf vier identische Kompositblätter, die ineinandergreifen und die finale Spiralform bilden. "Das Kompositblatt ist tatsächlich dicker als das Stahldesign, aber leichter wegen der geringeren Dichte der verwendeten Materialien", sagt Falzon. "Die größere Dicke bedeutet auch deutlich mehr Biegesteifigkeit im Vergleich zum Stahldesign – man erhält insgesamt ein viel steiferes Produkt."

Umgekehrtes Werkzeug

Die Entwicklung der Werkzeugform, so Falzon, war der herausforderndste Teil des Prozesses. Das ACS-A-Team bewertete die Form der ursprünglichen Blattbaugruppe mit CATIA-Software von Dassault Systèmes (Waltham, Mass., USA). Dies führte zur Entwicklung der Blattoberflächen und Werkzeugkonzepte. "Wenn man sich die Teile heute ansieht, werden sie eigentlich in einer auf den Kopf gestellten Orientierung hergestellt. Das Blattmodell musste invertiert werden, um das Werkzeug zu erstellen – es ist bizarr, bis man das tatsächliche Werkzeug sieht. Es ist ziemlich komplex." Das Werkzeug musste invertiert werden, "um die erforderliche Oberflächengüte auf der dem Wasserstrom zugewandten Seite des Blatts zu gewährleisten" und um sicherzustellen, dass jeder der gefertigten Blattkomponenten in einem Stück entformt werden kann. Das Werkzeug musste auch präzise sein: Die ineinandergreifenden Blattkomponenten mussten exakt ausgerichtet werden können, sowohl untereinander als auch mit der zentralen Welle der Turbine. Für den Prototyp wurde das Werkzeug von Sykes Australia (Sydney) aus kostengünstiger Werkzeugpaste auf einem Schaumträger hergestellt und anschließend CNC-gefräst.

Nach der Werkzeugherstellung wurde der aktuelle vollskalige Prototyp aus Glasfaser-Noncrimp-Gewebe (NCF) und Epoxidharz gefertigt, hergestellt durch Handlage und Aushärtung bei Raumtemperatur, gefolgt von Nachhärtung im Ofen bei erhöhter Temperatur und Applikation einer marinereifen Farbe. Die Materialien wurden, so Falzon, ausgewählt, um sowohl strukturelle als auch Kostenanforderungen zu erfüllen. Die ineinandergreifenden Teilkomponenten werden klebend verbunden – gewählt gegenüber mechanischer Befestigung für bessere Kontrolle und Maßhaltigkeit bei der Montage. "Der eigentliche Trick", so Falzon, "ist sicherzustellen, dass die Blätter ineinandergreifen können, aber nach der Laminierung und Verklebung eine sehr starre Baugruppe bilden, die die benötigte strukturelle und hydrodynamische Formleistung erreicht."

Die digitale Analyse der Struktursteifigkeit und anderer mechanischer Eigenschaften erfolgte mit Tools von MSC Software (Newport Beach, Kalifornien, USA). "Dieses System ist viel effizienter, leichter und leistungsfähiger als das ursprüngliche Design", fügt Falzon hinzu.

Auf dem Weg zur kommerziellen Produktion

Laut Wren beträgt das initiale Produktionsziel von Kinetic NRG 950 Einheiten über drei Jahre, dann Skalierung auf mehrere Tausend pro Jahr. Potenzielle Kunden seien Privatpersonen und Unternehmen, Energieversorger und Gemeinden – eine breite Palette, die die Vielseitigkeit des HEG-Konzepts unterstreicht. Die Systeme können als "Mini-Wasserkraftwerke" in Bewässerungskanälen installiert werden, oder stromabwärts bestehender Wasserkraftgeneratoren, um Energie aus untergenutztem Abfluss zu gewinnen, oder als Zusatzstrom für abgelegene Gemeinden oder Unternehmen.

Derzeit durchläuft der vollskalige HEG-Prototyp mechanische Tests im Wasser; parallel werden Großserienfertigungsprozesse für die kommerzielle Produktion evaluiert.

ACS-A wird das Blattdesign je nach mechanischen Testergebnissen und Anforderungen an die kosteneffektivste Fertigung weiter verfeinern. Konkret erforscht ACS-A automatisierte Preforming-Prozesse, "um die Form mit minimaler Handarbeit richtig hinzubekommen", gefolgt von Light Resin Transfer Molding (L-RTM) oder einem anderen Hochgeschwindigkeitsverfahren.

Auch Montagemethoden werden evaluiert, mit dem Ziel, dass die Blatt-Teilkomponenten modular gefertigt und vor Ort montiert werden, um Versandkosten und -herausforderungen ganzer Einheiten zu vermeiden, lokale Beschäftigung zu schaffen und Installationskosten zu senken. Dazu muss ACS-A möglicherweise die Art des Ineinandergreifens und die Anzahl der Teilkomponenten pro Baugruppe anpassen. "Wir werden die vollen Blätter in ihrer ursprünglichen Form beibehalten, das bleibt ein zentraler Bestandteil", sagt Wren, "aber wir können die Übergänge verlagern, um dieselbe Form in weniger Komponenten für einfachere Vor-Ort-Montage herzustellen."

Die beiden Unternehmen evaluieren auch die Umwandlung metallischer Turbinenkomponenten in Komposite, um das Gesamtgewicht der Baugruppe zu reduzieren. "Wir werden Glasfaser dort einsetzen, wo es passt, und Carbonfaser dort, wo es passt, aber letztlich müssen wir einen Preis erreichen, der die Stromgestehungskosten des Systems wettbewerbsfähig macht", so Falzon.

Wenn Design und Fertigungsprozess der Optimierung nahekommen, wird die nächste Herausforderung sein, so Wren, die richtigen Investitions- und Fertigungspartnerschaften zu sichern, um auf kommerzielle Volumen zu skalieren.