Saubere Energie aus Wasser: Was steckt hinter der Effizienz von Wasserturbinen?
Der Wettlauf in Richtung einer nachhaltigen Zukunft entscheidet sich nicht nur bei großen Projekten im Bereich erneuerbarer Energien, sondern auch in technischen Details, die dem Auge von Nicht-Fachleuten oft entgehen. Genau hier kommen Drehdurchführungen zum Einsatz, die in Kaplan-Turbinen für die Erzeugung von Wasserkraft eine Schlüsselrolle spielen: Sie ermöglichen die Umwandlung der Wasserbewegung in sauberen Strom.
Wasserkraft im Vergleich: Unterschiede zwischen Turbinen
In der Wasserkraft werden verschiedene Turbinentypen eingesetzt, um saubere Energie zu erzeugen. Die am häufigsten verwendeten sind Pelton-, Francis- und Kaplan-Turbinen. Die Wahl hängt hauptsächlich von der Fallhöhe und der verfügbaren Wassermenge ab.
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Pelton-Turbinen sind für sehr hohe Fallhöhen und geringe Wassermengen ausgelegt. Sie kommen idealerweise in Berganlagen zum Einsatz, wo große Höhenunterschiede es ermöglichen, erhebliche Energiemengen in Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen zu konzentrieren.
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Francis-Turbinen eignen sich am besten für mittlere Fallhöhen und mittlere bis hohe Durchflussmengen. Sie sind heute weltweit am weitesten verbreitet, dank ihrer Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit in unterschiedlichen Einsatzbereichen.
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Kaplan-Turbinen schließlich wurden für schwierige Bedingungen entwickelt: niedrige Fallhöhen und sehr große Durchflussmengen, wie sie bei großen Flüssen oder künstlichen Kanälen typisch sind. In solchen Fällen reicht es nicht aus, den Durchfluss mit festen Schützen zu regulieren: Es ist auch notwendig, den Anstellwinkel der verstellbaren Laufschaufeln kontinuierlich anzupassen, um die Turbinenleistung zu optimieren.
Kaplan-Turbinen: über ein Jahrhundert im Dienst der erneuerbaren Energien
Im Jahr 1912 meldete der österreichische Ingenieur Viktor Kaplan eine Idee zum Patent an, die die Geschichte der Wasserkrafterzeugung verändern sollte: eine Propellerturbine mit verstellbaren Schaufeln, die sich an Schwankungen von Durchfluss und Fallhöhe anpassen kann.
Seitdem haben sich Kaplan-Turbinen als ideale Lösung für Gewässer mit geringer Fallhöhe, aber hohem Volumen etabliert. Sie schaffen es, über 90 % der verfügbaren kinetischen Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Ihre Stärke liegt in der Möglichkeit, den Schaufelwinkel zu regulieren, wodurch die optimale Effizienz unabhängig von Durchflussschwankungen erhalten bleibt. Genau hier kommt die Technologie der Drehdurchführungen von Johnson-Fluiten ins Spiel.
Wo wird eine Drehdurchführung in Kaplan-Turbinen benötigt?
Damit eine Kaplan-Turbine ihr volles Potenzial entfalten kann, müssen die Laufschaufeln ihre Neigung verändern können. Diese Verstellung erfolgt durch Hydraulikzylinder, die wiederum eine kontinuierliche und sichere Verbindung zwischen dem stationären und dem rotierenden Teil der Turbine benötigen.
Die Aufgabe der Drehdurchführung besteht genau darin: Sie überträgt Hydrauliköl unter Druck in das System. Eine einfache Funktion in der Theorie, die jedoch aus ingenieurstechnischer Sicht äußerst komplex ist.
Die technische Herausforderung: hoher Druck, große Durchflussmengen, null Kompromisse
Die neueste Drehdurchführung für diese Anwendung erforderte die Entwicklung einer kundenspezifischen Mehrkanal-Lösung, um:
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Zwei Hydraulikölkanäle bei Drücken von bis zu 160 bar zu handhaben.
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Einen außergewöhnlich hohen Durchfluss von 900 Litern pro Minute zu bewältigen (fast fünfmal so viel wie bei einer herkömmlichen 2-Kanal-Drehdurchführung).
Diese Zahlen verdeutlichen eine Herausforderung nicht nur in der Konstruktion, sondern auch in Bezug auf Materialien, Tests und Zuverlässigkeit.
Das Ergebnis war eine Drehdurchführung von beeindruckender Größe: 2 Zoll im Durchmesser, fast 50 cm Höhe und über 200 kg Gewicht.
Kontrollierte Leckage: wenn Unvollkommenheit zum Vorteil wird
Bei so hohen Drücken und Durchflussmengen kann keine konventionelle Dichtungstechnologie einen vollständig dichten Betrieb gewährleisten. Polymere Dichtungen wie Lippendichtungen würden dem Verschleiß nicht standhalten, und selbst Gleitringdichtungen, die Druck und Drehzahl aushalten können, bergen das Risiko katastrophaler Ausfälle mit unkontrollierbarem Ölaustritt.
Die Lösung? Ein radikal anderer Ansatz: das von Johnson-Fluiten entwickelte Close-Gap-Seal.
Dabei handelt es sich um ein System mit „kontrollierter Leckage“: Durch einen mikrometergenau gefertigten Mikrospalt erlaubt die Drehdurchführung eine minimale, kontinuierliche und vorhersehbare Durchsickerung. In Labortests betrug die Leckage bei 160 bar weniger als 1 Liter pro Minute. Dieser geringe Durchfluss stellt kein Problem dar, da das Öl aufgefangen und wieder in das System zurückgeführt wird. Der Vorteil ist enorm: kein Kontakt, reduzierter Verschleiß, langfristige Zuverlässigkeit.
Individualisierung: Mehrwert für die Wasserkraft
Jede Wasserkraftanlage ist anders, und jede Kaplan-Turbine hat spezifische Anforderungen. Johnson-Fluiten bietet die Möglichkeit, Drehdurchführungen vollständig individuell zu entwickeln – sowohl für Neuanlagen als auch für Retrofits bestehender Turbinen.
Ein wichtiger Aspekt betrifft die Kompatibilität mit älteren Turbinen: In mehreren Fällen entschieden sich Kunden, die Drehdurchführungen anderer Hersteller verwendeten, für Johnson-Fluiten, da Originalersatzteile schwer zu beschaffen waren. Dank der Fähigkeit, austauschbare Einheiten zu fertigen, trägt das Unternehmen dazu bei, die Lebensdauer historischer Anlagen zu verlängern, ohne auf hohe Effizienz- und Sicherheitsstandards zu verzichten.
Saubere Energie, fortschrittliche Ingenieurtechnik
Die Wasserkraft wird auch künftig eine tragende Säule des globalen Energiemixes sein, und Kaplan-Turbinen werden zu den effizientesten Lösungen gehören, um Fließgewässer zu nutzen. In Komponenten wie den Drehdurchführungen von Johnson-Fluiten zu investieren bedeutet, in langfristige Zuverlässigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit zu investieren.
Hinter Nachhaltigkeit steckt eine Welt der Präzisionsingenieurtechnik – und Johnson-Fluiten beweist seine Fähigkeit, zuverlässige, langlebige und leistungsstarke Technologien zu integrieren.
Für Ingenieure, Produktionsleiter und Instandhalter besteht die Herausforderung nicht nur darin, Turbinen in Betrieb zu halten, sondern sie maximal zu optimieren. Genau hier kann Johnson-Fluiten zum strategischen Partner werden, der ein technisches Detail in einen Wettbewerbsvorteil verwandelt.
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