US-Ingenieure entwickeln 3D-gedruckte Turbinen für 29 Gigawatt ungenutzter Wasserkraft

Sie sind überzeugt, dass dieser Ansatz das Wasserkraftpotenzial der USA erweitern und bestehende Hindernisse bei der Energienutzung senken könnte. „Additive Manufacturing ermöglicht eine schnelle, maßgeschneiderte und kostengünstige Fertigung für Niedrigwasser-Mikrowasserkraftwerke und reduziert die Hürden zur Energienutzung erheblich", so die Forscher.

Günstigere Wasserkraft: Niederdruck-Mikrowasserkraftsysteme können an kleineren Staudämmen und in Fließgewässern bis zu 100 Kilowatt (kW) Strom erzeugen. Die USA verfügen über nahezu 90.000 Staudämme, Prozent derzeit Strom produzieren. Gleichzeitig deuten Daten darauf hin, dass 51.000 Standorte im ganzen Land für die Erzeugung könnten.

Die USA verfügen über ein ungenutztes Wasserkraftpotenzial 29 Gigawatt (GW) an diesen Standorten. Die hohen Kosten für den Bau ßgeschneiderten Turbinen und Infrastruktur an jedem Standort haben die Projekte jedoch finanziell unpraktikabel gemacht. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wandte sich das Forschungsteam der additiven Fertigung zu.

Die Ingenieure nutzten massive Polyvinylchlorid-(PVC)-Rohre als

Die Ingenieure nutzten massive Polyvinylchlorid-(PVC)-Rohre als Hauptwasserweg und fertigten individuelle Turbinenkomponenten durch 3D-Druck an. Dies ermöglichte es ihnen, Teile schnell an standortspezifische Abmessungen anzupassen. Die Big-Area Additive Manufacturing erlaubt die schnelle Montage, die in der Regel über stark individualisierte Bauteilmaße verfügen. Bildnachweis: ORNL, US-Department of Energy.

Einer der wichtigsten Bauteile, das Laufradgehäuse, das die Turbineneffizienz durch Steuerung des Wasserstroms steigert, wurde aus zwei Hälften aus 20-prozentigem kohlenstofffaserverstärktem Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Polymer gefertigt. Diese wurden anschließend zu einer robusten Einheit mit einem Gewicht von 688 Pfund verschlossen.

Für das Laufradgehäuse, das die Turbine umschließt, fertigte das Team eine Form mittels 3D-Druck an und goss daraus das finale Bauteil aus Glasfaserverbundwerkstoff. „CNC-Bearbeitung und Sprühbeschichtung zur Abdichtung gewährleisten Präzision und Schutz", so das Team. Zudem wurde die großflächige additive Fertigung (BAAM – Big-Area Additive Manufacturing) zur Entwicklung mehrerer großer Turbinenkomponenten eingesetzt.

Dazu gehörten Rohrstützen, Wanddurchstecker, Endstücke sowie

Dazu gehörten Rohrstützen, Wanddurchstecker, Endstücke sowie Bauteile des Laufradsystems im Rahmen des Fixed-Kaplan-S-Turbinen-Designs.

Neuer Ansatz Die Ergebnisse zeigen, dass die additive Fertigung die Kosten pro Kilowatt in Wasserkraftwerken im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren um bis zu 40 Prozent senken kann. „Dieses bahnbrechende Projekt hat das Potenzial der kleinen Wasserkraft revitalisiert, indem es schnelle, zuverlässige und kosteneffiziente Herstellungsverfahren demonstriert hat", so die Forscher in einer Pressemitteilung.

Der betriebliche Prototyp läuft seit mehr als sechs Jahren in der Wisconsin-Einrichtung 9,14 Meter lange Versuchsanlage befindet sich innerhalb des Testzentrums: Cadens. Die einzigartige Mikrohydro-Versuchsanlage hat sich reportedly zu einer Plattform für branchenweite Fortschritte entwickelt. Das System wird derzeit für Material- und Komponententests, die Optimierung der Energiespeicherung eingesetzt.

Cadens arbeitet derzeit daran, die Technologie

Cadens arbeitet derzeit daran, die Technologie weiter zu skalieren. Zudem verbessert das Unternehmen die Widerstandsfähigkeit gegen Ablagerungen und Biofouling. Diese stellen erhebliche Herausforderungen für den langfristigen Betrieb ürlichen Gewässern dar. Die Forschung wurde vom Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO) des US Department of Energy (DOE) unterstützt.

Sein Ziel ist es, die Effizienz, Produktivität, den ökologischen Fußabdruck und die Wettbewerbsfähigkeit des verarbeitenden Gewerbes zu verbessern.