Effizienzsprung für Kleinwasserkraft

Als Referenz dient das Zuppinger Wasserrad, das mit rückwärts gekrümmten Schaufeln und einem Wirkungsgrad von 70–80 % überzeugt. Das Ziel besteht darin, die Leistung und Lebensdauer von Wasserrädern in Kleinwasserkraftwerken mit niedrigen Fließgeschwindigkeiten signifikant zu steigern – insbesondere bei kleinen, unterschlächtigen Rädern mit niederschwelligem Einsatz und geringer Fallhöhe.

Der Fokus der Forschung liegt auf der datenbasierten Optimierung der Schaufelgeometrie (Krümmung, Länge, Winkel) sowie der Auswahl geeigneter, korrosionsbeständiger Werkstoffe. Hierzu werden numerische Strömungssimulationen (CFD) mit Festigkeitsberechnungen (FE) kombiniert. Ergänzend kommt maschinelles Lernen zum Einsatz, um die optimale Schaufelkonfiguration zu ermitteln. Durch die Umstellung von diskreten auf kontinuierliche Geometrieparameter werden Präzision und Robustheit erhöht. Ein weiterer Fokus liegt auf der Funktionalisierung der Schaufeloberflächen. Mikrostrukturen, wie beispielsweise Riblets, reduzieren den Strömungswiderstand. Die additive Fertigung (z. B. Stereolithografie, FDM) ermöglicht eine schnelle und flexible Prototypenherstellung. Für die Serienfertigung in Originalgröße werden umformtechnische Verfahren erprobt.

Die Validierung erfolgt durch Versuche an Modell- und Großschaufeln. Dank numerisch und experimentell optimierter Geometrien können bis zu 35 % mehr Drehmoment als bei klassischen Ausführungen erreicht werden. Der Werkstoff Edelstahl reduziert die Durchbiegung der Schaufeln gegenüber dem Ausgangswerkstoff Holz um mehr als 50 Prozent.

Die Versuchsanlagen sind betriebsbereit und erste Messungen bestätigen die Simulationsergebnisse. Die Skalierungseffekte werden minimiert und die Übertragbarkeit auf Originalgrößen ist gewährleistet. Zu den wissenschaftlichen Fortschritten zählen die systematische, datenbasierte Geometrieoptimierung, die Entwicklung eines robusten numerischen Modells zur Drehmomentprognose, die additive Fertigung als schnelles Prototyping-Tool sowie die Identifikation effizienter Oberflächenstrukturen.

Die Ergebnisse werden aktuell für die industrielle Umsetzung und den Ergebnistransfer aufbereitet.Die entwickelten Schaufeln eröffnen neue Möglichkeiten für eine wirtschaftlichere und nachhaltigere dezentrale Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen. Künftige Arbeiten werden sich auf die weitere Optimierung der Oberflächenstrukturen und deren Übertragung in die industrielle Praxis fokussieren.

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Quelle:
Duale Hochschule Sachsen