Auftraggeber: Schluchseewerk AG

Problemstellung:

Weil der Anteil fluktuierender Stromerzeugung, wie z.B. Windenergie oder Solarenergie zunimmt, müssen mehr und mehr nicht nur Schwankungen beim Stromverbrauch, sondern auch solche bei der Stromerzeugung ausgeglichen werden. Aktuell sind Pumpspeicherkraftwerke die einzige Technologie, die den Bedarf an Speicherenergie mit akzeptablem Wirkungsgrad decken kann.

Im Südschwarzwald, nördlich von Bad Säckingen wird deshalb von der Schluchseewerk AG das größte Pumpspeicherkraftwerk Deutschlands mit einer Leistung von 1400 MW geplant. Zwischen dem Hornberg und dem Haselbachtal soll die Höhendifferenz von rund 600 m genutzt werden. Das Oberbecken wird durch das Hornbergbecken II mit einem Nutzinhalt von 9 Mio. m³ gebildet. Ca. 8 km südwestlich im Haselbachtal, einem Seitental des Rheins, entsteht das Haselbecken mit gleichem Nutzinhalt, das als Unterbecken dient. Vom Hornbergbecken II führen zwei ca. 700 m lange vertikale Druckschächte mit jeweils 4,8 m Durchmesser zur Kaverne Atdorf. In der Kaverne werden sechs Pumpturbinen installiert. Von dort führt der ca. 8,3 km lange Unterwasserstollen mit einem Durchmesser von 9,2 Metern zum Haselbecken.

Um Planungssicherheit zu erlangen wurde das Institut für Wasser und Gewässerentwicklung des KIT von der Schluchseewerk AG beauftragt Modellversuche für den Bereich des Auslaufbauwerkes im Haselbecken durchzuführen.

Modellbeschreibung:

Die hydraulischen Untersuchungen wurden mit Hilfe einer hybriden Vorgehensweise durchgeführt. Unter Verwendung eines 3D-HN-Modells wurde die Geometrie des Auslaufbauwerks im Haselbecken vordimensioniert. Das Physikalische Modell dient der Feinoptimierung und Verifizierung der Bauwerksgeometrie und der Bearbeitung der übrigen Fragestellungen.

Die 3D-HN-Modellierung geht von folgenden Annahmen aus:

• Berechnung: RANS-Gleichungen (Reynolds-averaged Navier-Stokes)
• Turbulenzmodell: RNG (Renormalization Group) k-ε Modell
• Gitter: Äquidistantes strukturiertes Rechtecksgitter

Das physikalische Modell wurde nach dem froude‘schen Modellgesetz im Maßstab 1:38,33 in der Halle des Theodor-Rehbock-Laboratoriums aufgebaut und stellt das Auslaufbauwerk, eine ausreichend lange Strecke des von den Maschinen kommenden Unterwasser Stollens, den Stollenkrümmer und ein Teil des Unterbeckens dar. Die Standfläche des Modells beträgt ca. 70 m².

Ziele der Modellversuche:

Untersuchung des Auslaufbauwerkes im Hinblick auf folgende Fragestellungen:

• Vermeidung der Bildung luftansaugender Wirbel vor dem Auslaufbauwerk im Pumpbetrieb
• Untersuchung von Erosion an den angrenzenden Uferbereichen
• Sicherstellung einer gleichmäßigen Anströmung im Pumpbetrieb
• Sicherstellung einer gleichmäßigen Abströmung im Turbinenbetrieb
• Minimierung der hydraulischen Verluste

Modellmaßstab: 1:38,33