Die Kraft des Wassers: 100 Jahre Kaplan-Turbine

| Redakteur: Richard Oed

Laufrad einer Kaplan-Turbine, ausgestellt im Technischen Museum Wien. 2019 jährt sich die erste Turbineninstallation des österreichischen Erfinders Viktor Kaplan zum hundertsten Mal.
Laufrad einer Kaplan-Turbine, ausgestellt im Technischen Museum Wien. 2019 jährt sich die erste Turbineninstallation des österreichischen Erfinders Viktor Kaplan zum hundertsten Mal. (Bild: gemeinfrei / CC0)

2019 jährt sich die erste Turbineninstallation des österreichischen Erfinders Viktor Kaplan zum hundertsten Mal. Von Brünn aus trat sie ihren Siegeszug um die Welt an. Doch was macht die Kaplan-Turbine so bedeutsam?

Die Wasserkraft erfreut sich heute – in Zeiten des Klimawandels – unverminderter Beliebtheit und gilt als Alternative zu Atom- und Kohlekraftwerken als saubere, umweltfreundliche Energieform. Die Stromerzeuger unternehmen daher weiterhin große Anstrengungen, um die ökologische Nachhaltigkeit der Wasserkraftnutzung immer weiter zu verbessern.

Dabei ist die Wasserkraft eine uralte Technologie, die schon bei den Chinesen vor 5000 Jahren zum Einsatz kam. Im Zweistromland und im alten Ägypten erfolgte die Bewässerung der Felder vor 4000 Jahren mit Wasserschöpfrädern. Die Griechen erfanden die archimedische Schraube.

Verteilung der Wasserkraftkapazitäten nach Ländern in Europa
Verteilung der Wasserkraftkapazitäten nach Ländern in Europa (Bild: IHA Report 2017)

Vom Mittelalter bis zur beginnenden Industrialisierung wurde die Wasserkraft für Öl- und Getreidemühlen genutzt und hat damit die Versorgungssicherheit der zunehmenden Bevölkerung ermöglicht. Mit dem Aufkommen moderner Wasserturbinen und Generatoren Anfang des 20. Jahrhunderts konnte nicht nur der wachsende Strombedarf weltweit gestillt werden, in Europa trugen die in der Nachkriegszeit gebauten Laufkraftwerke an Flüssen wie Donau oder Rhein auch erheblich zur Beschleunigung der Industrialisierung und damit zum Wirtschaftswachstum und zum Wohlstand bei.

Ein großer Teil der weltweit laufenden Wasserturbinen und rund zehn Prozent der weltweiten Stromerzeugung basieren auf Kaplans Patenten. In Deutschland trägt die Wasserkraft etwa 3%, umgerechnet 16,9 TWh, zur Gesamtstromerzeugung bei, in Österreich sind es 60%.

Dazu leistete die nach dem österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan (1876-1934) benannte Kaplan-Turbine einen wichtigen Beitrag, ist sie doch auch bei geringem Gefälle mit hohem Wirkungsgrad einsetzbar. Experten beurteilen daher die Erfindung Viktor Kaplans als „großen Wurf“ für die Industrialisierung und als Grundstein für das moderne Leben und ist somit von historischer Bedeutung.

Funktionsweise der Kaplan-Turbine

Bei der Kaplan-Turbine handelt es sich um eine Niederdruckturbine für große Wassermengen bei geringem bis mittlerem Gefälle bis circa 80 m. Sie kann der jeweiligen Wassermenge durch verstellbare Schaufeln am Laufrad und am Leitkranz angepasst werden. Dadurch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad auch bei geringer Wassermenge. Die Turbine zeichnet sich durch eine für den Antrieb von Generatoren bedeutende große spezifische Drehzahl, sowie einer Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen im Wasser wie Sand, Schlamm oder Holz aus.

Dabei ist die Kaplan-Turbine nur eine der drei gängigen Hauptturbinentypen im Bereich der Wasserkraftnutzung: Die ältere Francis-Turbine des Engländers James Francis (1815-1892), geeignet für mittlere bis große Wassermengen und mittlere Gefälle, wurde vor allem in Deutschland durch die Firma Voith in Heidenheim weiterentwickelt. Und Lestor Peltons (USA, 1829-1908) Erfindung der Freistrahlturbine wurde bereits 1880 patentiert. Die nach ihm benannte Pelton-Turbine, die für kleine bis größere Wassermengen und sehr großen Fallhöhen geeignet ist, wurde ebenfalls ein Verkaufsschlager.

Schnittzeichnung des Laufrads der Kaplan-Turbine für das Kraftwerk Yacyretá in Argentinien. Durchmesser 9,5 m.
Schnittzeichnung des Laufrads der Kaplan-Turbine für das Kraftwerk Yacyretá in Argentinien. Durchmesser 9,5 m. (Bild: S vs kaplan schnitt 1 zoom / Voith Hydro Power Generation / CC BY-SA 3.0)

Kaplan-Turbinen ähneln Schiffsschrauben und weisen mehrere asymmetrisch gebogene bewegliche Schaufeln auf. Dadurch können sie sich optimal auf schwankenden Druck und Fließgeschwindigkeiten einstellen. Die Turbine wird in Achsenrichtung vom Wasser durchströmt. Flussaufwärts ist der Druck auf einer Seite der Turbine höher als auf der anderen Seite. Dieser Druck lässt die Kaplan-Turbine rotieren und die Strömungsenergie des Wassers in Rotationsenergie umwandeln (Überdruckturbine). Sie ist auf niedrigen Druck und große Wassermengen ausgelegt und typisch für große Flusskraftwerke. Bei mittleren Gefällen werden Francis-, bei großen Gefällen Pelton-Turbinen verwendet.

Begonnen hatte alles mit 25,8 PS

Weltweit durchsetzen konnte sich Viktor Kaplans Erfindung erst nach der Inbetriebnahme des schwedischen Großkraftwerks Lilla Edet am 19. Dezember 1925. Diese Kaplan-Turbine mit längsliegender Welle besaß eine Leistung von 8240 kW bei einem Gefälle von 6,5 m und einem Laufraddurchmesser von 5800 mm.

Begonnen hat dabei alles viel kleiner: Die 1918 von der Firma Storek in Brünn gebaute und im Juni 1919 in der Bördel- und Strickwarenfabrik in Velm / Niederösterreich als Ersatz für ein marodes Wasserrad in Betrieb genommene, erste kommerzielle Kaplan-Turbine erzielte bei einer Fallhöhe von 2,3 m eine Leistung von 25,8 PS. Bei den Übernahmeversuchen erreichte sie einen Wirkungsgrad von 84%. Die Maschine wurde bis 1958 in Velm benutzt und steht heute im Technischen Museum Wien.

Sieben Jahre vorher, am 28. Dezember 1912, hatte Viktor Kaplan bereits sein erstes Patent über die Kreiselmaschine I, das ein Leitrad für Turbinen mit primär axial angeströmtem Laufrad beschreibt, für seine Turbine beantragt (österreichische Patentschrift Nr. 74388). Diesem folgte am 7. August 1913 dann unter dem Titel „Regulierung I“ seine Hauptpatentanmeldung über die einstellbare Ausführung der Laufschaufeln. Dieses Patent wurde aufgrund von Streitigkeiten erst am 26. März 1918 unter der Nummer 74244 zugeteilt. Drei weitere Anmeldungen, einmal über die Gestaltung des schaufellosen Raums zwischen dem Leit- und Laufrad am 19. September 1913 (Nr. 86511), über die kammerlose Ausführung der Laufschaufeln am 6. Oktober 1913 (Nr. 73820) sowie später über das Kaplansche Saugrohr rundeten seine Erfindung ab.

Der hohe Wirkungsgrad sorgte für weltweite Verbreitung

Die meisten und größten Wasserkraftwerke wurden in den vergangenen Jahren in China, Lateinamerika und Afrika in Betrieb genommen.
Die meisten und größten Wasserkraftwerke wurden in den vergangenen Jahren in China, Lateinamerika und Afrika in Betrieb genommen. (Bild: Hydropower Status Report 2017)

Seitdem wurden weltweit mehrere tausend Kaplan-Turbinen mit teilweise sehr großen Leistungen verbaut. So beispielsweise im Wolgakraftwerk Saratov, wo Turbinen mit einer Leistung von 1360 MW bei einem Laufraddurchmesser bis 10 m installiert wurden, oder im Kraftwerk Tocoma Dam in Venezuela, wo zehn Kaplan-Turbinen mit 8,6 m Laufraddurchmesser 2160 MW erzeugen. Auch in Gezeitenkraftwerken kommen Kaplan-Turbinen zum Einsatz, so in Saint-Malo in Frankreich, wo 1966 Rohrturbinen mit circa 250 MW Leistung installiert wurden.

Mehr als zwei Drittel der weltweiten Produktion von erneuerbaren Energien geht auf das Konto der Wasserkraft. Das sind 16,6% der weltweiten Energieproduktion.
Mehr als zwei Drittel der weltweiten Produktion von erneuerbaren Energien geht auf das Konto der Wasserkraft. Das sind 16,6% der weltweiten Energieproduktion. (Bild: REN21 2017)

Derzeit gehen mehr als zwei Drittel der weltweiten Produktion von erneuerbaren Energien auf das Konto der Wasserkraft. Das sind 16,6% der weltweiten Energieproduktion. Dabei wurden in den vergangenen Jahren die meisten und größten Wasserkraftwerke in China, Lateinamerika und Afrika in Betrieb genommen.

Aus Anlass der Inbetriebnahme der ersten Kaplan-Turbine in Velm vor hundert Jahren veranstaltet die Viktor Kaplan Gesellschaft am 7. November 2019 im Palais Hansen Kempinski in Wien ein Symposium zu den „Schlüsselfaktoren für bahnbrechende Innovationen heute“. Nähere Informationen zu der Veranstaltung finden Sie unter https://www.travelindustryclub.at/go/kaplan-jubilaeum-2019.

Strom aus Meereswellen – Prototyp in der Nordsee in Betrieb

Strom aus Meereswellen – Prototyp in der Nordsee in Betrieb

21.10.19 - Mit Meereswellen Strom erzeugen – das geschieht seit kurzem an einer Versuchsanlage in der belgischen Nordsee. Zwei Jahre wird der Testbetrieb laufen. Ist er erfolgreich, soll ein Kraftwerk gebaut werden. lesen

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
...  lesen
posted am 24.10.2019 um 14:00 von Unregistriert

...  lesen
posted am 24.10.2019 um 14:00 von Unregistriert

Ja, das ist die Turbine. Und wenn ich auf den Pfeil gehe und den Blickwinkel ein wenig ändere,...  lesen
posted am 24.10.2019 um 13:51 von Unregistriert

Moin. Ist das die Turbine?...  lesen
posted am 24.10.2019 um 09:36 von Unregistriert

Vor gut einem Jahr habe ich durch Zufall erfahren, dass im kleinen Dorf Neudeck (bei Lednice -...  lesen
posted am 24.10.2019 um 06:06 von dr.j.hammer@gmail.com


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 46194509 / Stromversorgungen)