Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0067;F-Wasserkraft
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Universell einsetzbare Turbine für Wasserversorgungen
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Dank der Unterstützung durch das Bundesamt für Energie und dem Verein FESUM konnte die Entwicklung der Universalturbine weiterverfolgt werden. Dabei wurden im Jahr 2008 folgende Schwerpunkte behandelt.
Wellendichtung
Nach den erfolgreichen Labortests mit der Wellendichtung im Jahr 2007, wurde die Versuchsturbine für einen Dauertest mit einer elektronischen Steuerung ausgerüstet. Ab Juli 2008 ist die Versuchsturbine mit der Wellen-dichtung in Crémines (BE) bei einem Gegendruck von 0.5 bar in Betrieb. Probleme mit der Wellendichtung sind bis jetzt nicht aufgetreten, sie funktioniert zuverlässig.
Druckregelung
Im Jahr 2008 wurde die Entwicklung der Gegendruckregelung nicht weiter verfolgt. Es zeigt sich aber, aufgrund mehrer Anfragen, dass eine Gegendruckregelung in speziellen Anwendungsfällen benötigt wird. Es ist vorgese-hen, zuerst in Crémines (BE) an der Versuchsturbine und später in Münster (VS) bei der ersten Pilotanlage eine elektronische Gegendruckregelung einzubauen und zu testen.
Lufteintrag und Regelung
Die Versuchsturbine in Crémines ist mit je einer Strahlpumpe pro Düse ausgerüstet. Der Lufteintrag funktioniert zuverlässig. Mit dem Zu- und Abschalten der Düse wird auch die Strahlpumpe zu- und abgeschaltet. Eine grobe Lufteintragsregelung wird damit erreicht. Die Variante mit einem Entlüftungsventil soll in Münster geprüft werden.
Industriepartner
Mit der Firma Küffer AG und neu der Firma zobo hydropower gmbh konnten kompetente Industriepartner gefun-den werden. Mit ihnen wurde eine Zusammenarbeitsvereinbarung ausgearbeitet. Beide Firmen beteiligen sich aktiv an der Entwicklung und Markteinführung der Universalturbine.
Entwicklung neue Turbinenreihe (Typisierung)
Die mit der Versuchsturbine gemachten Erfahrungen wurden bei der Entwicklung der Pilotanlage berücksichtigt. Die Typisierungsgrundlagen für eine einheitliche Baugrösse und universelle Anwendung wurden bereits 2007 erarbeitet. Im Jahr 2008 erfolgte die konstruktive Umsetzung. Marketing und Herstellunterlagen für die Universal-turbine sind erarbeitet.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Stiftung revita
Ökozentrum Langenbruck
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schindelholz,Bruno
Fritschi,Markus
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Viele Wasserversorgungen beinhalten durch die Höhenunterschiede grosse Energiepotenziale in Form von Druckreduzierenergie. Für die Wasserversorgung wird meist nur ein Teil dieser Energie benötigt. Der Rest wird in nicht weiter nutzbare Wärme gewandelt.
Die Idee einer Peltonturbine im Druckluftpolster, zur Nutzung dieser Energie, wurde schon im Jahr 2004 von der stiftung revita weiterverfolgt und die Machbarkeit nachgewiesen. Erste Versuche an den Fachhochschulen zeigten positive Ergebnisse aber auch technische Probleme, die der Gegendruckturbinierung anhaften. Das Ziel dieser Arbeit ist das Aufzeigen dieser Probleme und deren Lösungen.
Wellendichtung
Für die Funktion der Peltonturbine im Gegendruckbereich ist das Druckluftpolster von entscheidender Bedeutung. Luftverluste bei der Wellendurchführung müssen unbedingt vermieden werden. Handelsübliche Wellendichtungen können die Anforderungen nicht erfüllen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine hydrodynamische, wassergeschmierte Wellendichtung entwickelt, die mit Druckwasser vom Turbinenzufluss versorgt wird. Durch das Sperrwasser wird die Dichtung luftdicht und der hydrodynamische Schmiereffekt sorgt für einen verschleissfreien Betrieb. Bei der Versuchturbine kann das Dichtungsspiel (Schmierspaltdicke) zu Versuchzwecken eingestellt werden. Eine Versuchreihe und ein Dauertest im Pumpwerk von Crémines (BE) zeigten positive Ergebnisse.
Gegendruckregelung
In Wasserversorgungen gibt es Zonen, die mit sehr hohem Druck versorgt werden. Besitzen diese Zone keine Reservoirs, die den Druck begrenzen können, werden Druckreduzierventile eingesetzt. Druckreduzierventile regeln den Zufluss so, dass kein überhöhter Zuflussdruck in die Zone entstehen kann. Der Durchfluss wird dabei genau dem Verbrauch angepasst. Soll nun die Universalturbine anstelle von Druckreduzierventilen eingesetzt werden, muss der Durchfluss entsprechend dem Gegendruck geregelt werden. Mehrere Regelsysteme wurden an den Fachhochschulen getestet. Die Systeme sind im der Praxis noch nicht anwendbar. Weitere Versuche sind in Vorbereitung.
Lufteintrag und Regelung
Die mit dem abfliessenden Wasser ausgetragene Luft muss ersetzt werden. Strahlpumpen haben sich bisher dafür gut bewährt. Die an der Fachhochschule BFH entwickelte Strahlpumpe ist noch nicht regelbar. Vorgesehen ist daher eine Strahlpumpe pro Düse so, dass eine grobe Lufteintragsregelung möglich ist. Überschüssige Luft kann bei Bedarf über Entlüftungsventile abgeführt werden. Diese Ausführung genügt für die meisten Anwendungsfälle. Problematisch ist die Löslichkeit von Luft in Wasser unter Druck. Beim Turbiniervorgang geht das Wasser mit der Luft nahezu in Sättigung. Mit dem abfliessenden Wasser wird die gelöste Luft ausgetragen. Bei sinkendem Druck gast die Luft aus und bildet Luftblasen im Leitungsnetz. Dieses Problem ist noch ungelöst.
Industriepartner
Mit der Firma Küffer AG und neu der Firma zobo hydropower gmbh konnten kompetente Industriepartner gefunden werden. Mit ihnen wurde eine Zusammenarbeitsvereinbarung ausgearbeitet. Beide Firmen beteiligen sich aktiv an der Entwicklung und Markteinführung der Universalturbine P2E.
Entwicklung neue Turbinenreihe (Typisierung)
Die mit der Versuchsturbine gemachten Erfahrungen wurden bei der Entwicklung der Universalturbine P2E berücksichtigt. Die Typisierungsgrundlagen für eine einheitliche Baugrösse und universelle Anwendung wurde erarbeitet und konstruktiv umgesetzt.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Stiftung revita
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schindelholz,Bruno
Fritschi,Markus
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Due to differences in height above sea level, many water supplies have great energy potential in the form of energy created from pressure reduction. Usually only part of this energy is needed to actually supply the water. The rest is transformed into heat, which is of no further use.
As far back as 2004, the idea of harnessing this energy by means of a Pelton turbine in a cushion of compressed air was followed up by the revita foundation and its feasibility was proven. Initial testing at Swiss Universities of Applied Sciences showed both positive results and technical problems, which were due to the counterpressure turbine. This paper aims to discuss those problems and their solutions.
Wave seal
If a Pelton turbine is to work in the counterpressure area, the compressed air cushion is of critical importance. Air losses during the wave passage must be prevented at all costs. Commercially available wave seals cannot fulfill these requirements. We have developed a hydrodynamic, water-lubricated wave seal, which is fed with compressed water from the turbine inflow. The sealing water makes the seal airtight and the hydrodynamic lubrication ensures wear-proof operation. In the trial turbine, the clearance of the seal (depth of lubrication gap) can be adjusted for testing purposes. A series of trials and an endurance test at the pumping station in Crémines (CH) showed positive results.
Counterpressure control
In water supplies, there are zones which are supplied with very high pressure. If those zones don’t have any reservoirs that can limit the pressure, pressure-reducing valves are used. Pressure reducing valves control the inflow, thus ensuring that there will be no increase in inflow pressure in a given zone. The flow is adapted to exactly fit consumption. If the universal turbine is to be used instead of pressure reducing valves, the flow has to be controlled in line with counterpressure. Several control systems have been tested at the Universities of Applied Science. These systems cannot yet be used in practice. Further tests are being prepared.
Air inflow and control
The air that is removed along with the out-flowing water has to be replaced. Until now, jet pumps have proved to be well suited for this task. The jet pump developed at the BFH University of Applied Sciences cannot yet be regulated. The intention is to use one jet pump per nozzle, making it possible to roughly control air inflow. Excess air can be removed via air-release valves if necessary. This design is sufficient for most applications. A problem is caused by the fact that air is soluble in water under pressure. During the turbine process, the water is almost totally saturated with air. The outflowing water takes the dissolved air with it. When the pressure drops, the air separates out from the water and forms air bubbles in the supply network. No solution for this problem has yet been found.
Industry partners
We have been able to find expert industrial partners at Küffer AG and also now at zobo hydropower gmbh. A collaboration agreement has been drawn up with these companies, both of which are actively participating in the development of the P2E universal turbine and its launch onto the market.
Development of a new turbine series (standardisation)
The experiences with the test turbine were taken into account during the development of the P2E universal turbine. A basis for standardisation (uniform size and universal application) was developed and implemented.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Stiftung revita
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schindelholz,Bruno
Fritschi,Markus
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Schlussbericht
(Französisch)
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Beaucoup de distributions en eau contiennent, en raison des différences de hauteur, de grands potentiels d’énergie sous forme de limiteurs de pression. Pour la distribution en eau, seulement une partie de cette énergie est utilisée. Le reste est transformé en énergie calorifuge non mise à profit.
L’idée pour une turbine de type Pelton à coussin d’air comprimé pour l’exploitation de cette énergie a été suivie déjà en 2004 par la Fondation revita, et la faisabilité prouvée. Les premiers essais effectués par les Hautes écoles spécialisées ont montré des résultats positifs, mais aussi des problèmes d’ordre technique inhérents à la contrepression de la turbine. L’objectif primaire de ce travail est de mettre en évidence ce problème et ses solutions.
Etanchéité de l’arbre
Pour le fonctionnement en contrepression de la turbine de type Pelton, le coussin d’air comprimé est d’une importance primordiale. Les pertes d’air au niveau du passage de l’arbre doivent être absolument évitées. Les garnitures d’étanchéité du commerce ne peuvent remplir les exigences requises. Dans le cadre de ce travail, une garniture d’étanchéité hydrodynamique et lubrifiée par l’eau a été conçue, alimentée par l’eau sous pression provenant de la turbine. Grâce à l’eau de blocage, la garniture est étanche à l’air et l’effet lubrifiant hydrodynamique pourvoit à un fonctionnement résistant à l’usure. Sur la turbine d’essai, le jeu d’étanchéité (fente de lubrification) peut être ajusté à but expérimental. Une série d’essais et un test de longue durée dans la station de pompage de Crémines (BE) ont révélé des résultats positifs.
Réglage de la contrepression
Il existe des régions, pour la distribution d’eau, qui doivent être alimentées sous haute pression. Lorsque ces régions ne possèdent pas de réservoirs pour limiter la pression, on placera des limiteurs de pression qui régularisent l’arrivée en eau de telle manière qu’aucune surpression ne puisse se créer dans cette région. Le débit sera exactement ajusté à la consommation en eau. Dans le cas où ce serait la turbine universelle qui est installée au lieu de limiteurs de pression, le débit devrait être réglé en fonction de la contrepression. Plusieurs systèmes de réglage ont été testés par les écoles supérieures spécialisées. Ces systèmes ne sont pas encore éprouvés dans la pratique. D’autres essais sont en préparation.
Entrée d’air et réglage
L’air évacué avec l’eau d’écoulement doit être remplacé. Des pompes à injection se sont avérées efficaces jusqu’à présent. La pompe à injection développée à la Haute école spécialisée du canton de Berne n’est pas encore réglable. Pour cette raison, on prévoit de concevoir une pompe à injection par buse pour qu’un réglage grossier de l’entrée de l’air puisse s’effectuer. L’air excédentaire peut, selon les besoins, être évacué par une vanne de dépressurisation. Cette exécution suffit pour la plupart des applications. Le problème est la solubilité de l’air dans l’eau sous pression. Pendant le processus de turbinage, l’eau et l’air arrivent pratiquement à saturation. L’air dissous est évacué avec l’eau d’écoulement. Lors d’une diminution de pression, l’air se dégaze et forme des bulles dans le réseau de distribution. Ce problème n’est pas encore résolu.
Partenaires industriels
Nous avons trouvé des partenaires industriels compétents: la société Küffer AG et récemment la société zobo hydropower gmbh. Nous avons élaboré avec ces deux sociétés un accord de coopération. Elles participent activement au développement et au lancement sur le marché de la turbine universelle du type P2E. Développement de nouvelles séries de turbines (Classification par types)
Les expériences faites avec la turbine d’essai ont été prises en compte lors du développement de la turbine universelle du type P2E. Les principes de base de la classification par types pour un dimensionnement uniforme et une application universelle ont été élaborés et mis en oeuvre sur le plan de la construction.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Stiftung revita
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schindelholz,Bruno
Fritschi,Markus
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