Pelton-Turbinen : Wie man mehr Strom aus dem Wasser holen kann
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Pelton-Turbine: Charakteristisch sind die „geteilten” Becher Bild: Helga Lade
Pelton-Turbinen haben Ähnlichkeit mit den Wasserrädern an alten Wassermühlen. Bei einer senkrechten Ausrichtung können sie aus sechs Düsen angestrahlt werden. Die Gischt wird kanalisiert.
Große Fallhöhen und vergleichsweise moderate Wassermengen sind die Voraussetzungen, um den Betrieb einer Pelton-Turbine besonders wirtschaftlich zu machen. Diese Erkenntnis hat der mittlerweile pensionierte Wasserkraftexperte Josef Erlach bereits in seiner Jugend in sich aufgesaugt: Er hat nämlich am österreichischen Speicher- und Pumpwasserkraftwerk Kaprun eine Lehre absolviert, wo gleich mehrere Turbinen dieses Typs laufen. In der sogenannten Hauptstufe des Kraftwerks donnern je Sekunde bis zu 30 Kubikmeter Wasser auf vier dieser speziellen Mühlenräder, und das aus einer Höhe von etwa 860 Meter. Die Leistung der vier Pelton-Turbinen beträgt 240 Megawatt.
Pelton-Turbinen haben Ähnlichkeit mit den Wasserrädern an alten Wassermühlen, die von den gemächlich vorbeifließenden Bächen angetrieben werden. Doch nicht diese einfache, aber wenig effiziente Technik hat Ende des 17. Jahrhunderts den gescheiterten Goldgräber Lester A. Pelton bewogen, sich etwas Revolutionäres einfallen zu lassen. Seine Idee zündete vielmehr an einer damals als Hurdy-Gurdy-Rad bekannten, aus Holz gefertigten Wasserkraftmaschine. Dabei handelt es sich um Räder mit eng stehenden Schaufeln, die von einem Wasserstrahl tangential angeströmt werden - was nur ziemlich schlechte Ergebnisse lieferte, denn die Schaufeln wurden durch das Wasser nur „angestoßen“.
Pelton kam bei seiner Erfindung der Zufall zur Hilfe. Denn als eines seiner mit gekrümmten Schaufeln ausgestatteten Räder auf der Welle ein Stück zur Seite rutschte und die Schaufeln deshalb nur an ihrem äußeren Rand angeströmt wurden, drehte sich das Turbinenrad plötzlich schneller als zuvor. Pelton ging dem Phänomen nach und erkannte, dass dem Wasserstrahl dann die meiste Energie entlockt werden kann, wenn er nicht nur abgelenkt, sondern seine Richtung umgelenkt wird. Daraufhin experimentierte er mit unterschiedlichen, aus alten Blechkanistern gebauten Schaufelformen, wobei er mit einer eher seltsam geformten den größten Erfolg hatte: eine Schaufel, die in der Mitte durch einen Höcker geteilt wurde. Dadurch wurde möglich, dass der zentral auftreffende Wasserstrahl geteilt wird. Die Teilstrahlen folgen nach links und rechts der Schaufelkrümmung und werden fast vollständig in ihrer „Spritzrichtung“ umgelenkt.
Vertikale Achsstellung hat auch Nachteile
Dieses Prinzip nutzen auch heutige Pelton-Turbinen. Mit spiegelbildlichen, halbellipsoidförmigen Bechern erreichen die Anlagen mustergültige Wirkungsgrade von bis zu 92 Prozent. Dabei lassen sich die höchsten Ausbeuten mit Maschinen erreichen, bei denen die Achse mit dem Turbinenrad vertikal ausgerichtet ist. Denn in dieser Position können um das Laufrad herum bis zu sechs Düsen angeordnet werden, halten sich doch bei einem waagrecht liegenden Turbinenrad die Störeffekte durch zurückspritzendes, abgearbeitetes Wasser in Grenzen. Die Zahl der Düsen erhöht die Energieausbeute über den gesamten Leistungsbereich. Zudem können Maschinen mit mehreren Düsen gut geregelt und damit optimal auf das verfügbare Wasserangebot eingestellt werden.
Doch die vertikale Achsstellung hat auch Nachteile. So erfordert die seitliche Wasserzuführung eine komplexe Verteilapparatur, was teuer ist. Dazu kommt der beträchtliche Aufwand zum Stabilisieren des oberen, in der Luft „hängenden“ Achslagers, für das man eine aufwendige Haltekonstruktion braucht. Beide Gründe haben den Tüftler Erlach, wie er sagt, darüber nachdenken lassen, wie man einem Horizontal-Achsenrad die Vorzüge einer Vertikal-Maschine beibringen kann.
Wie Erlach berichtet, fand er seine Lösung eher intuitiv. Sein Ziel war, den Anteil des Wassers, der unkontrolliert im Turbinengehäuse herumspritzt, zu verringern, und so entwickelte er einen auf der Achse sitzenden, konzentrischen Verteilring. Durch ihn können die mit hohem Druck aus den Düsen strömenden Wasserstrahlen ungestört auf die Schaufeln geführt werden. Zudem weist der Ring das „Austrittswasser“ aus den Laufradbechern so ab, dass das Turbinenrad vor dem Spritzwassser geschützt ist.
Markt für horizontale mehrdüsige Pelton-Turbinen
Mit diesem Verteilring kann man auch Horizontalmaschinen mit bis zu sechs Düsen ausstatten. Heute hat diese Version der Pelton-Turbine zwei Düsen, in Ausnahmefällen drei. Und einen weiteren Vorzug seiner Maschine vergisst Erlach nicht zu betonen: Bei einer senkrechten Ausrichtung des Laufrads kann die Wasserzuführung recht simpel geregelt werden. Aus standardisierten Rohrstücken lasse sich das Zuleitungssystem zusammenbauen. Einigen Rechenaufwand erfordere lediglich das Dimensionieren des Verteilkopfs, des Bauteils, an das die zur Turbine führenden Leitungen angeflanscht werden.
Erlachs „aufgebesserte“ horizontale Pelton-Turbine mit sechs Düsen hat nach seinen Angaben einen um 0,5 bis 1,5 Prozent höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu einer dreidüsigen horizontalen Maschine. Die Turbine sei für den kleinen Leistungsbereich bis zehn Megawatt ideal. Und ganz wichtig: Im direkten Wettbewerb lägen die Herstellkosten seiner Maschine um rund 20 Prozent niedriger. Zumindest den Wirkungungsgrad-Vorteil kann Erlach belegen. So lief ein Prototyp am Institut für Fluidmechanik und Hydromaschinen an der Hochschule Luzern unter der Regie des zuständigen Dozenten Professor Thomas Staubli, der die Vorzüge grundsätzlich bestätigt. Staubli sieht auch einen Markt für horizontale mehrdüsige Pelton-Turbinen. Der Nachteil sei nur, dass man die an die bekannte Technik gewohnten Kunden erst von den Neuerungen überzeugen müsse. „Da wird Erlach Probleme haben“, vermutet der Schweizer Wissenschaftler.
