Ein-/Auslaufbauwerke großer Pumpspeicherkraftwerke

Problemstellung

Ein grundlegendes Problem der Elektrizitätswirtschaft stellt die Speicherung großer Energiemengen dar. Bis heute gilt die Technologie der Pumpspeicherkraftwerke als einzige ausgereifte Technologie um große Energiemengen aus dem Stromnetz mit akzeptablem Wirkungsgrad zu speichern und bei Bedarf als Spitzenenergie wieder zurück ins Netz zu speisen. Gerade in Zeiten, in denen zunehmend Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie gewonnen wird, wird immer mehr Speicherkapazität zur Abdeckung der Lastspitzen benötigt.

Der Wirkungsgrad eines Pumpspeicherwerkes setzt sich aus Anteilen der Elektrotechnik (Transformator, Generator), des Turbinenwirkungsgrades und den hydraulischen Verlusten entlang der Wasserwege zusammen. Da Pumpspeicherwerke im Allgemeinen für eine sehr große Leistung ausgebaut werden, bewirkt schon eine kleine Änderung des Wirkungsgrades einer solchen Anlage eine bedeutende Steigerung der Energieausbeute.

Ziel des Projekts

Um die Verluste zukünftiger PSW zu verringern wurde am Institut für Wasser und Gewässerentwicklung der Universität Karlsruhe ein Forschungsprojekt in die Wege geleitet, welches die hydraulische Funktion von Ein-/Auslaufbauwerken in Pumpspeicherwerken in Kavernenbauweise genau untersucht. Diese Bauwerke können auf Grund ihrer Wirkung als Diffusor durch eine Druckhöhenrückgewinnung den Wirkungsgrad einer Anlage beeinflussen.

Das Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Hydraulik von Ein-/Auslaufbauwerken großer Pumpspeicherwerke detailliert zu untersuchen und vor allem im Bezug auf die dort auftretenden Verluste zu analysieren. Als Folge daraus wird dann, ein Designratgeber für derartige Bauwerke erstellt. Der planende Ingenieur soll damit ein Werkzeug erhalten welches es ihm gestattet die unterschiedlichen Details eines solchen Bauwerks besser zu verstehen, sie optimal zu designen und damit eine effiziente Funktion zu garantieren.

Die Durchführung des Forschungsprojektes fußt auf drei Säulen:

• Im Theodor-Rehbock-Laboratorium wurde ein variabler Versuchsstand aufgebaut, in den unterschiedliche Bauwerksgeometrien eingebaut werden können. Mittels Geschwindigkeits- und Druckmessungen wird hier deren Funktion im Detail untersucht.
• Hydrodynamisch-numerische 3D Berechnungen mit dem Programm Flow-3D werden herangezogen um eine Vorbemessung der Geometrien im Versuchsstand durchzuführen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse des Versuchsstandes wiederum verwendet um die numerischen Modelle zu kalibrieren und aus der numerischen Berechnung besser auf das reale hydraulische Verhalten schließen zu können.
• Als dritter Schritt ist vorgesehen an existierenden Pumpspeicherwerken in-situ die Geschwindigkeiten am Austrittsquerschnitt des Ein-/Auslaufbauwerks zu messen. Diese Messungen werden dann herangezogen um einen Bezug zwischen den Ergebnissen aus dem Versuchsstand, den numerischen Berechnungen und der Natur herzustellen.