Kleine Wasserkraft mit KI planbarer und umweltverträglicher machen
Copyright: Prof. Dr. Dirk Hübner / ZUG gGmbH
Energie aus Fließgewässern zu gewinnen, hat hohes Potential. Mit dieser „kleinen Wasserkraft" hat sich das KI-Leuchtturmprojekt FluKIT beschäftigt. Ein Interview mit Prof. Dr. Dirk Hübner über Ergebnisse und Herausforderungen des Projektes.
Herr Prof. Dr. Hübner, was hat Sie zu dem Projekt motiviert?
Die sogenannte „kleine Wasserkraft“ kann einen Teil der Grundlast des elektrischen Strombedarfs decken. Vor allem in Deutschland gibt es viele Flüsse mit großen Volumenströmen und relativ hohen Fließgeschwindigkeiten. Leider wird dieses Potential der Energie aus Fließgewässern aber bisher kaum genutzt. Zur Energiegewinnung können hier Strom-Bojen eingesetzt werden. Das ist ein kleines, schwimmendes Strömungskraftwerk, das die kinetische Energie eines frei fließenden, ungestauten Flusses in elektrische Energie umsetzt, ähnlich wie bei einem Windrad. Da Strom-Bojen kein Stauwerk benötigen, greifen sie nur sehr gering bei der Verankerung der Turbine in die Ökologie des Flusses ein. Um solche Anlagen verantwortungsvoll auszubauen, braucht es jedoch verlässliche Planungsgrundlagen.
Was war das Ziel dieses Leuchtturmprojektes?
Unser Ziel war es also, Flussbettprofile und lokale Strömungen mithilfe Künstlicher Intelligenz so abzubilden, dass Standorte für Strom-Bojen und möglicher Turbinen-Cluster – also mehrere Turbinen mit geringer Distanz zueinander – genau bestimmt werden können. Eine genaue Simulation ist u.a deshalb notwendig, weil nach der Verankerung die Position nur begrenzt korrigiert werden kann. Da es aber bisher keine belastbare Strömungsdaten gibt – vergleichbar mit Windkarten in der Windenergie – ist auch keine verlässliche Wirtschaftlichkeitsberechnung möglich und potenzielle Standorte können kaum bestimmt werden.
Welche Ergebnisse konnten Sie erreichen?
Wir haben ein eigenes Messsystem zur Vermessung von Flussbetten entwickelt, das die Flussbetten präzise vermisst. Ein KI-Tool bereitet die Daten auf und erstellt nutzbare Flussbettprofile für Strömungssimulationen. So lässt sich anhand dieser Simulationen mit Geometriedaten der Strom-Boje zeigen, wie sich eine Turbine auf die Strömung dahinter auswirkt und wie mehrere Anlagen zusammenwirken.
Welche Herausforderungen gab es im Projekt und konnten Sie dafür Lösungen finden?
Die größte Herausforderung war die Entwicklung der Messtechnik. Bisher bestehende Messsysteme liefern oft riesige Datenmengen und sind schwer weiterzuverarbeiten, da Schnittstellen zu Simulationsprogrammen meist fehlen. Zudem sind die Messsysteme sehr teuer und daher für den Einsatzbereich „Flussturbinen“ nicht geeignet. Deshalb haben wir ein eigenes System entwickelt, das genau die Daten liefert, die für Planung und Simulation nötig sind. So konnten wir Aufwand und Kosten deutlich senken.
Welchen Impact haben die Projektergebnisse für den Umwelt- Natur- oder Klimaschutz?
FluKIT schafft eine Datengrundlage für den naturverträglichen Ausbau kleiner Wasserkraft. Anlagen wie beispielsweise die Großananlage in Köln Niehl, sind damit präziser planbar. So kann z.B. die Auswirkung von Temperaturveränderungen in einzelnen Flussabschnitten mittels Künstlicher Intelligenz im Vorfeld simuliert werden. Das beschleunigt Genehmigungsprozesse und reduziert Risiken. Damit trägt FluKIT zu einer klimafreundlichen Energieversorgung bei und unterstützt die Energiewende.
Sind die Ergebnisse des Projektes nachnutzbar oder können sie in anderen Bereichen eingesetzt werden?
Ja. Die Technik kann bereits heute für die Simulation lokaler Strömungen genutzt werden. Unternehmen haben auch schon Interesse an unserem Mess- und Auswertesystem bzw. den damit ermittelten Daten bekundet: die Firma Energyminer, die entsprechende Strömungskraftanlagen entwickelt, und im Einsatzfeld der Flusswasserwärmepumpen die Energie SaarLorLux AG. Denn mit den Daten können u. a. Temperaturverteilungen und sogenannte Kaltwassersträhnen simuliert werden. Auch in der Forschung werden die Messdaten angewandt. Mitarbeitende der Universität des Saarlandes nutzen sie, um zu untersuchen, wie Messfahrten auf Flüssen optimiert werden können. Grundsätzlich lässt sich die Profil- und Simulationsmethodik auch auf andere Oberflächen übertragen – ähnlich wie in der Windenergieforschung.
Was ist eigentlich eine Kaltsträne?
Im Kontext des Projektes bezeichnet „Kaltsträne“ eine lokale, schlierenartige Ausbreitung kälteren Wassers in einem Fluss.
Sie entsteht zum Beispiel bei Flusswasserwärmepumpen: Wird dem Fluss Wärme entzogen, wird das zurückgeleitete Wasser etwas kälter als das umgebende Flusswasser. Dieses kältere Wasser mischt sich nicht sofort vollständig, sondern bildet eine räumlich begrenzte Kaltwasserfahne, die sich stromabwärts ausbreitet. Diese wird umgangssprachlich als „Kaltsträne“ bezeichnet.
Für Planung und Genehmigung ist das wichtig, weil sich dadurch Temperaturverteilungen im Gewässer lokal verändern können. Mit Strömungs- und Temperatursimulationen lässt sich berechnen, wie weit und wie stark sich diese Kaltsträne ausprägt – und ob ökologische Grenzwerte eingehalten werden.
