Wasserkraft hat mehr als einen Dreh in den Turbinen

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2024 Eric Buche für EPFL
2024 Eric Buche für EPFL
Der 22. März ist der Weltwassertag. Es versorgt uns mit einer Energie, die ihr volles Potenzial noch nicht entfaltet hat. Die Forschung zielt auch darauf ab, die vorhandene Infrastruktur bestmöglich zu nutzen.

Die Wasserkraft wurde Ende des letzten Jahrhunderts vernachlässigt und von der Atomkraft und den sehr niedrigen Strompreisen überrollt. Heute ist sie die Mutter aller erneuerbaren Energien. Mit einem Anteil von 15% an der weltweiten Stromerzeugung steht sie an erster Stelle der kohlenstofffreien Energiequellen. In der Schweiz übertrifft sie mit einem Anteil von fast 53% sogar alle anderen. Die Internationale Energieagentur schätzt, dass die Wasserkraft von heute 1400 GW bis 2050 verdoppelt werden muss, um ein globales Netto-Null-Energie-System zu erreichen.

Der größte Vorteil des blauen Goldes ist seine Flexibilität: Die Kraftwerke produzieren nicht nur Strom nach Bedarf, sondern können auch die Integration anderer erneuerbarer Energien fördern, indem sie deren Überschüsse durch Pumpspeicherung speichern. "Die Wasserkraft ermöglicht es, die Produktions- und Speicherkapazität der erneuerbaren Energien zu erhöhen und somit mehr Solar- und mehr Windenergie zu erzeugen", fasst Elena Vagnoni, Projektleiterin bei der Plattform für hydraulische Maschinen (PTMH) der EPFL, zusammen. Das 1969 gegründete Labor hat sich zu einem Kompetenzzentrum für die Forschung und Entwicklung von hydraulischen Maschinen entwickelt. Insbesondere hat es sich ein weltweit einzigartiges Know-how für das Testen und Zertifizieren von hydraulischen Anlagen angeeignet.

Ein Paradigmenwechsel

"Ursprünglich wurden Wasserkraftmaschinen nicht für die Flexibilität konzipiert, die für die heutigen Netze erforderlich ist, sondern um mit maximaler Effizienz zu operieren", erinnert sich Mario Paolone, Direktor des PTMH. "Dieser Paradigmenwechsel bedeutet, dass die Maschinen völlig anders konzipiert und betrieben werden müssen. Wir können es uns natürlich nicht leisten, den bestehenden Maschinenpark zu verändern. Wir müssen also Lösungen finden, um die bestehenden Wasserkraftwerke nachzurüsten und die zukünftigen besser zu konzipieren."

Wir untersuchen Methoden zur Erneuerung von Anlagen, damit sie für die Tier- und Pflanzenwelt schonender sind und klimabedingten Auswirkungen von mehr und weniger Wasser besser standhalten können.

Elena Vagnoni, Projektmanagerin bei der Plattform für hydraulische Maschinen der EPFL


In diesem Zusammenhang führte die EPFL das größte europäische Projekt zur Wasserkraft, XFLEX Hydro , durch, das gerade abgeschlossen wurde. "Wir haben eine Reihe von Technologien entwickelt, um die Flexibilität der Wasserressourcen zu maximieren, ohne die Kosten für die Erschließung und Wartung zu beeinflussen", erläutert Elena Vagnoni. Diese Arbeit umfasst die Optimierung des Einsatzes von hydraulischen Maschinen, ein besseres Verständnis der Belastungen, denen die Maschinen durch die hochdynamischen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, die Strömungsmechanik oder die Flusskontrolle.

Ein paar Megawatt gewinnen

Beispiel: Ein Pumpspeicherkraftwerk arbeitet in der Regel nacheinander mit einem der beiden Kraftwerke. Die Turbinen drehen sich, um Strom zu erzeugen, während die Pumpen das Wasser nach oben befördern und in einem oberen Becken speichern, wenn die Stromerzeugung die Nachfrage übersteigt. Das Umschalten von einem auf das andere System, d. h. die Umkehrung der Maschinen, dauert in der Regel eine gewisse Zeit, die im zweistelligen Minutenbereich liegen kann. Um die Flexibilität zu erhöhen, haben die Wissenschaftler "hydraulische Kurzschlüsse" erprobt, bei denen Pumpen und Turbinen gleichzeitig laufen können. "So kann man unter anderem den Fluss sofort umkehren, wie bei einer Batterie. Wir haben das in mehreren Kraftwerken in Europa erfolgreich getestet", freut sich Mario Paolone.

Um einige Megawatt an Leistung zu gewinnen, werden viele Wege erforscht. "Das ist immer noch besser, als von ausländischem Kohlestrom abhängig zu sein", begründet Elena Vagnoni. Dies geschieht zum Beispiel durch die Erhöhung der Speicherkapazität, indem man Pumpen dort installiert, wo es noch keine gibt, durch den Test von Mikroturbinen in der Kanalisation, um einen Weiler zu versorgen, durch die Untersuchung der Systemermüdung, ein besseres Sedimentmanagement, die Digitalisierung der Überwachung, Wartung und Produktionspläne, eine feinere Planung oder die Untersuchung noch unklarer physikalischer Phänomene.

Schließlich bleibt auch der Umweltaspekt wichtig. "Wir untersuchen Methoden, um die Anlagen so zu renovieren, dass sie für die Tier- und Pflanzenwelt schonender sind und den klimabedingten Auswirkungen von mehr und weniger Wasser besser standhalten", betont die Forscherin.

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