Die Steffturbine

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich durch die veröffentlichten Energieszenarien und Potentialstudien, sowie durch politische und gesellschaftliche Forderungen eine rasante Veränderung im Bereich der erneuerbaren Energien vollzogen. Besonders der erhöhte Bedarf an dezentraler Energiebereitstellung förderte die Entwicklung von ökologisch verträglichen Kleinwasserkraftanlagen. Viele Besitzer modernisierten ihre bereits in die Jahre gekommenen Konstruktionen. Weitere bisher ungenutzte Standorte konnten erst durch die Einführung der Einspeisevergütung rentabel erschlossen werden. Dass die Kleinwasserkraft einen wesentlichen Beitrag zur Versorgungssicherheit leisten kann, zeigen nicht nur entsprechende Potentialstudien, sondern auch die Vielzahl an neu entwickelten Turbinenkonstruktionen. Besonders moderne oberschlächtige Wasserräder und Wasserkraftschnecken sind in ihrer Konstruktion bereits sehr ausgereift und durch vielfachen Einsatz praktisch erprobt. Sie erreichen hohe Wirkungsgrade und überzeugen durch robustes und betriebsfreundliches Verhalten. Die Steffturbine steht in direkter Marktkonkurrenz zu diesen Turbinentypen. Als eine neuartige Turbine im Bereich der Kleinwasserkraft wird sie durch diese Arbeit erstmalig umfassend wissenschaftlich untersucht und beschrieben.

Um auf dem hart umkämpften Markt der erneuerbaren Energien bestehen zu können, ist ein messtechnischer Leistungsnachweis mit anschließender wissenschaftlicher Veröffentlichung durch ein neutrales und qualifiziertes Institut unverzichtbar geworden. Die Walter Reist Holding AG trat diesbezüglich als Hersteller der Steffturbine an das Institut für Wasserwesen heran. Unter Laborbedingungen galt es die Leistungsfähigkeit der Steffturbine experimentell nachzuweisen. Die ermittelten Daten zeigen ein breites Leistungsspektrum bis 11kW bei einem Durchfluss von 400l/s und 4m Fallhöhe. Der Turbinenwirkungsgrad kann dabei einen Wert bis 90% annehmen. Mit einer zusätzlichen experimentellen Untersuchung wird der Teilfüllungsgrad für unterschiedliche hydraulische Ausgangssituationen berechnet. Weiterhin zeigt sich mit einem Trockenlauf, dass die mechanischen Verluste proportional zur Drehzahl steigen und zusätzlich in Abhängigkeit der Turbinenneigung stehen.

Zur Vertiefung der Kenntnisse zum Funktionsprinzip der Steffturbine und für die Weiterentwicklung der Konstruktion, wurde eine theoretische Beschreibung notwendig. Die experimentellen Untersuchungen im Labor bilden das Kalibrierungsfundament für die sich anschließende theoretische Modellbildung. Zunächst wird dazu ein Fortschrittsschema entwickelt, welches zur strukturierten Erweiterung des Turbinenwirkungsgrades dient. Den Ausgangspunkt bildet dabei die antreibende Wirkung des Wassers auf die Turbinenschaufeln. Die Theorie wird durch Berücksichtigung von Auftriebswirkung, Spritzwasser, Spaltströmungen, Reibungseffekten sowie mechanischen und strömungsdynamischen Verlusten schrittweise verbessert. Schlussendlich wird erstmalig eine geschlossene theoretische Beschreibung zum Turbinenwirkungsgrad der Steffturbine präsentiert.

Eine Evaluation der experimentellen und theoretischen Betrachtungen zeigt, dass die erarbeitete Theorie die experimentellen Messpunkte mit sehr guter Übereinstimmung wiedergeben kann. Nachfolgend bieten konstruktive Anmerkungen die Basis für zukünftige konstruktive Optimierungsmöglichkeiten. Sie dienen vor allem der Weiterentwicklung der Steffturbine. Daneben wird auf verschiedene Einflussgrößen eingegangen, welche den Betrieb der Turbine positiv wie negativ beeinflussen können. Entsprechende Handlungsempfehlungen werden vorgestellt. Die anschließende Einordnung in die leistungstechnische Vergleichsgruppe positioniert die Steffturbine auf dem Markt der Kleinwasserkraftanlagen. Mit einem Ausblick auf mögliche weiterführende Forschungsarbeiten schließt diese Arbeit.