Stromrichtereinsatz zur kostengünstigen Gestaltung von drehzahlvariablen Kleinwasserkraftanlagen

Ein bei Klein-Wasserkraftanlagen seit einigen Jahren diskutierter Ansatz ist der drehzahlvariable Betrieb von Wasserturbinen. Durch einfache strömungstechnische Überlegungen lassen sich Vorteile aus dem drehzahlvariablen Betrieb ableiten. Interessant für den Einsatz in Niederdruckanlagen ist vor allem die Kombination von drehzahlvariablem Betrieb mit Propellerturbinen. Durch Variation der Drehzahl proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und damit auch proportional zur Wassermenge, läßt sich der schmale Bereich des hohen Wirkungsgrades einer Propellerturbine deutlich erweitern. Eine drehzahlvariable Propellerturbine erreicht damit zwar nicht den gleichen konstant hohen Wirkungsgradverlauf wie eine doppeltregulierte Kaplanturbine, doch läßt sich wegen der deutlich geringeren Investitionskosten bei vergleichbarer Jahresenergieerzeugung eine spürbare Reduktion der Stromgestehungskosten erzielen. Der Beitrag erläutert zunächst die prinzipielle Funktionsweise. Für Anwendungen in der Kleinwasserkraft stehen verschiedene Konzepte zur Verfügung, um drehzahlvariablen Betrieb zu ermöglichen. Dabei wird zweckmäßigerweise zwischen Varianten mit Asynchron- und Synchrongenerator unterschieden. Die Einsatzbereiche dieser Konzepte werden kurz beschrieben: 1. Direkte Netzkopplung mit Asynchrongenerator. 2. Asynchrongenerator (Kurzschlußläufer). 3. Doppelt gespeister Asynchrongenerator (Schleifringläufer). 4. Fremderregter Synchrongenerator. 5. Permanenterregter Synchrongenerator. Für eine ökonomische Bewertung des Stromrichtereinsatzes in drehzahlvariablen Kleinwasserkraftanlagen sind zunächst die wirtschaftlichen Randbedingungen für Bau und Betrieb von derartigen Anlagen von Bedeutung. Danach werden die zusätzlichen Investitionen für den Frequenzumrichter den Einsparungen auf der Seite der Turbine gegenübergestellt. Die typische Aufteilung der Betriebskosten beim Neubau, die spezifischen Investitionskosten für verschiedene Leistungsbereiche und die spezifischen Kosten verschiedener Turbinentypen werden im Überblick dargestellt. Abschließend werden Beispiele von ausgeführten Objekten aufgezeigt.