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Flexible Gummirotoren könnten für preiswertere Gezeitenkraftwerke sorgen
Gezeitenkraftwerke sind hohen Belastungen ausgesetzt und technisch aufwendig. Flexible Gummirotoren könnten den Aufwand verringern.
Ingenieure der University of Edinburgh und des Reifenherstellers Michelin haben gemeinsam flexible Rotorblätter für den Einsatz an Turbinen in Gezeitenkraftwerken entwickelt, die sich den wechselnden Strömungsbedingungen des Wassers automatisch anpassen können. Damit entfällt die sonst nötige, technisch aufwendige und damit teure Blattverstellung an den Rotorblättern herkömmlicher Gezeitenkraftwerke. Ein Turbinenblatt im Versuchsmaßstab lieferte vielversprechende Ergebnisse.
Gezeitenkraftwerke werden durch die starke Durchströmung mit Wasser materialtechnisch extrem beansprucht. Dafür verantwortlich sind Turbulenzen, Wellen und wechselnde Strömungen. Die vom Wasser durchströmten Turbinenblätter sind dabei besonders hohen und schwankenden Kräften ausgesetzt. Das führt zu schneller Materialermüdung, Ausfällen und hohen Reparaturkosten. Denn die Reparatur unter Wasser ist aufwendig.
Um dem entgegenzuwirken und die Belastung der Komponenten zu reduzieren, ist in Gezeitenturbinen ein komplexes System zur Verstellung der Rotorblätter integriert. Die Pitch-Regelung sorgt dafür, dass sich die Rotorblätter bei zu starker Strömung aus dem Wasserfluss herausdrehen und die Rotoren und Turbinen dadurch entlastet werden.
Statt ein aufwendiges elektromotorisches Regelsystem für die Rotorblätter zu nutzen, haben die Forscher der University of Edinburgh zusammen mit Michelin einen anderen, simpleren Ansatz gewählt. Sie nutzten Rotorblätter aus flexiblem Gummi, die mit einem durchgängigen Stahlkern versehen sind, wie aus der Studie „Flexible rubber blades for tidal turbines“ hervorgeht, die in Nature erschienen ist. Dabei haben sich die Wissenschaftler von der Natur inspirieren lassen, genauer gesagt von Fischen und Bäumen, die Wasser- und Windströmungen durch Verbiegen nachgeben.
Die Rotorblätter der Forscher funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip. Bei ansteigender Strömungsgeschwindigkeit passt sich die flexible Hinterkante des Blattes der Strömung automatisch an. Das gewölbte Profil wird dadurch flacher, sodass überschüssige Last abgebaut wird. Das geschieht, ohne dass dazu elektronische Regelsysteme mit aufwendiger Verstellmechanik nötig sind.
Die Wissenschaftler haben ihre Erkenntnisse an einer Modellturbine mit 1,26 Metern Rotordurchmesser ausprobiert. Dazu nutzten sie die FloWave Ocean Energy Research Facility der Universität, eine Anlage mit einem kreisrunden Becken mit einem Durchmesser von 25 m und einer Tiefe von 2 m, das mit Wasser gefüllt ist. Über 168 Wellenerzeuger und 28 Strömungsantriebe können darin verschiedene Wellen und Meeresströmungen aus verschiedensten Richtungen erzeugt werden. Damit können Designs für Wellenenergie, Gezeiten- und Windkraftanlagen sowie für Schiffe vorab im Maßstab 1:20 getestet werden. Die Wissenschaftler konnten dadurch ermitteln, wie sich die Rotorblätter unter realitätsnahen Bedingungen in einem Gezeitenkraftwerk verhalten.
Die Messergebnisse kombinierten die Forscher mit Simulationen eines vollständigen Gezeitenzyklus. Dabei stellten sie fest, dass die Turbine mit Gummiblättern die gleiche Energiemenge erzeugen konnte wie ein vergleichbares System mit aktiver Blattverstellung. Zusätzlich reduzierten die flexiblen Rotorblätter die Lastschwankungen, die durch wechselnde Strömungsbedingungen ausgelöst werden. Da das Gummi eine ähnliche Dichte wie Wasser aufweist, können die Blätter so gebaut werden, dass sie im Wasser einen neutralen Auftrieb haben. Lastschwankungen können so weiter verringert werden.
Die Wissenschaftler haben bereits eine mit Gummirotorblättern ausgerüstete Gezeitenturbine mit einem marktüblichen Rotordurchmesser von 20 Metern simuliert. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Technik auch im größeren Maßstab effektiv funktioniert. Vorläufigen Berechnungen zufolge dürfte die Ermüdungslebensdauer der Gummiblätter die bei heutigen Turbinen übliche