Wasserturbinen müssen robuster werden

Im Zuge der Energiestrategie 2050 soll die Stromproduktion durch Wasserkraft in der Schweiz steigen. Aber die Umwelt, in der die Wasserkraftwerke funktionieren müssen, ändert sich im Zuge des Klimawandels: Gletscher und Permafrost schmelzen, die Erosion nimmt zu. So landet mehr Sediment in den Gewässern und scheuert an den Turbinen. In anderen Weltregionen besteht dieses Problem bereits akut.

Forschende um François Avellan von der ETH Lausanne (EPFL) haben daher mit einem mathematischen Modell simuliert, wie sich die Entwicklung auf die Effizienz der Wasserkraftwerke und die Lebensdauer der Turbinen auswirkt. Das Ziel sei, die Turbinen zu verbessern und die Stromproduktion mit Wasserkraft so langfristig sicher und effizient zu gestalten, schrieb die Hochschule am Donnerstag in einer Mitteilung.

Direkte Experimente an einem Wasserkraftwerk sind wegen der Auswirkungen und hohen Kosten eines Unterbruchs im Betrieb nicht möglich, hiess es weiter. Deshalb entwickelten die Wissenschaftler eine Simulation, um den Verschleiss der Turbinen durch Sedimente genauer abzubilden, als dies mit anderen Methoden bisher möglich war. Von ihren Ergebnissen berichten sie im Fachblatt «Wear».

Ihr Modell musste dabei die unterschiedlichen Skalen berücksichtigen, auf denen der Prozess stattfindet - die mikroskopische und die makroskopische Skala. «Die Sedimente sind extrem klein, bewegen sich sehr schnell, und ihr Aufprall dauert weniger als eine Mikrosekunde», sagte Studienautor Sebastián Leguizamón gemäss der Mitteilung. Der beobachtete Verschleiss sei auf der anderen Seite jedoch graduell und betreffe die gesamte Turbine.

Um die komplexen Berechnungen überhaupt mit einem Computer in angemessener Zeit bewerkstelligen zu können, spalteten die Forscher die Simulation quasi in zwei, um die Prozesse auf beiden Skalen separat zu modellieren. Anschliessend kombinierten sie die Resultate, um Vorhersagen über den Verschleiss machen zu können.

Im nächsten Schritt des Projekts untersuchen die Wissenschaftler nun die Materialien, aus denen die Turbinen bestehen, um diese Information in die Simulation mit einzuschliessen. So soll das Modell auf jeden Typ Wasserkraftwerk und für verschiedene regionale Bedingungen für Vorhersagen dienen, um Turbinen zu optimieren.

Klar sei, dass Änderungen nötig seien, damit Turbinen länger halten - sowohl an ihrem Design als auch an ihrer Betriebsweise, schrieb die EPFL. Teilweise ist der Verbesserungsbedarf jetzt schon gross: «Als ich ein Wasserkraftwerk im Himalaya untersuchte, erzählten mir meine dortigen Kontakte, dass es bereits ein Erfolg sei, wenn eine Turbine mehr als einen Monsun übersteht», so Avellan.