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Cécile Münch-Aligné
Monday, 25. July 2022 - 09:14

Die vier Partner des im Juli 2021 gegründeten Hydro Alps Lab haben sich ein ehrgeiziges Ziel gesetzt. Durch eine effiziente Verbindung von Wasserkraft, modernen digitalen Technologien und erneuerbaren Energien sollen die zukünftigen energetischen Herausforderungen bewältigt werden. 

Seit einigen Jahren wächst die Bedeutung der erneuerbaren Energien anhaltend, weshalb der Wasserkraft in den nächsten Jahrzehnten eine wichtige Rolle zukommen dürfte. Aus diesem Grund hat die HES-SO Valais-Wallis zusammen mit drei Partnern – Alpiq, Forces Motrices Valaisannes (FMV) und HYDRO Exploitation – im Juli 2021 das Hydro Alps Lab gegründet. Die Kompetenzen der Industriepartner sollen dank modernster Technologien gestärkt werden, um den zukünftigen Herausforderungen im Energiebereich begegnen zu können. 

Für Cécile Münch-Alligné, die Leiterin dieses neuen Labors, ist die Gründung dieses Forschungszentrums eine unglaubliche Chance. „Zwei unserer Partner sind Eigentümer von Wasserkraftwerken, der dritte ein Betreiber. Sie haben alle mit unterschiedlichen Problemen zu kämpfen, für die wir nach effizienten Lösungen suchen. Dazu müssen wir die individuellen Bedürfnisse analysieren und alle Parameter berücksichtigen“, erklärt sie. 

Kein einfaches Unterfangen! Um das Ziel der Netto-Null-Emissionen bis 2050 zu erreichen, muss die Wasserkraft ein durchschnittliches Wachstum von rund 70 GWh pro Jahr verzeichnen. Dies bedeutet, dass die Speicherkapazitäten erhöht, der Wirkungsgrad verbessert und die Sicherheit der Infrastrukturen optimiert werden müssen. Die verschiedenen Forschungsteams werden sich daher mit allen Facetten der Wasserkraft befassen: Flexibilität der Anlagen, Überwachung der Maschinen, Monitoring der Druckleitungen, Untersuchung der Ventile und Durchflussmessung.  

Überwachung der Maschinen:

Das Auswechseln von Turbinen ist eine kostspielige und zeitaufwändige Operation. Deshalb müssen innovative Methoden entwickelt werden, um ihre Lebensdauer zu erhöhen und möglichst genau vorhersagen zu können, wann sie ersetzt werden müssen.

Turbinen werden durch Schwingungen, die Erosion durch Sedimente aus dem Wasser und vor allem Kavitation abgenutzt. Bei starkem Unterdruck kann Wasser zu Dampf umgeformt werden und implodieren. Geschieht dies in der Nähe einer Wand, kann diese nach und nach beschädigt werden.

Um den Verschleiss von Turbinen zu untersuchen, entwickelt ein Team des Hydro Alps Lab eine Überwachungsmethode mit hochempfindlichen, nicht-intrusiven Mikrofonen, mit denen die Geräusche des turbinierten Wassers interpretiert werden können. Auf diese Weise kann der Zustand einer Turbine genau vorhergesagt werden, ohne dass ihr Betrieb unterbrochen werden muss.

Druckleitungen:

Druckleitungen und Druckschächte befördern das Wasser vom Staudamm zu den Turbinen des Wasserkraftwerks. Ihr reibungsloser Betrieb und ihre Sicherheit sind daher für die Stromerzeugung von grösster Bedeutung. Die mechanischen Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, haben zugenommen, da sich die Nutzung der Wasserkraft seit der Inbetriebnahme von Wasserkraftwerken vor rund 70 Jahren stark weiterentwickelt hat. Heutzutage werden Hydraulikmaschinen nicht mehr nur zur Energieerzeugung eingesetzt, sondern auch für den Leistungsausgleich zwischen Verbrauchern und Erzeugern. Dazu ändern die Maschinen ihre Drehzahl, starten und stoppen häufiger, wodurch die Ermüdung des Stahls in den Leitungen beschleunigt wird. Das Hydro Alps Lab entwickelt neue Ansätze für die Zustandsüberwachung, die auf innovativen Sensoren und Digital Twins basieren. So kann die Beanspruchung dieser für die Stromerzeugung kritischen Bauteile in Echtzeit bewertet werden, um ihre Lebensdauer zu beurteilen sowie Betriebskosten und Ausfälle zu begrenzen. 

Schmetterlingsventile:

Schmetterlingsventile werden für die automatische Öffnung und Schliessung von Leitungen im Rahmen der Wartung und der Sicherheit verwendet. Wie alle anderen mechanischen Bauteile in der Wasserkraft werden auch diese Ventile speziell für die Anlage konzipiert, in der sie zum Einsatz kommen. Sie müssen etwa enormen Belastungen standhalten: Ein Ventil mit einem Durchmesser von 2 m muss einen Druck aushalten, der analog zum Druck ist, der von 15 daran aufgehängten 40-Tönnern ausgeübt würde.

Um diese kritischen Bauteile zu dimensionieren, führen die Teams des Hydro Alps Lab numerische Simulationen und Messungen sowohl im Labor als auch vor Ort durch. Auch die Studierenden können sich im Rahmen ihrer Bachelorarbeiten oder anderer Projekte mit diesen Problematiken beschäftigen und zum Beispiel präzise Analyseverfahren entwickeln.  

Hydro Alps Lab