Ak­tu­el­le For­schungs­pro­jek­te

Ak­tu­el­le For­schungs­pro­jek­te

Auftraggeber: Energiedienst Holding AG
Bearbeitungszeit: 2022-2023
Bearbeiter: M.Sc. Fabian Popp

Am Hochrhein bei Basel wird am Standort Rheinfelden bereits seit über 120 Jahren Strom aus Wasserkraft gewonnen. Das alte Laufwasserkraftwerk Rheinfelden wurde nach einer Laufzeit von mehr als 100 Jahren zwischen 2003 und 2012 durch ein modernisiertes Kraftwerk mit einer vervierfachten Ausbauleistung von nunmehr 100 Megawatt ersetzt. Seit Inbetriebnahme des neuen Kraftwerks im Jahr 2012 ist eine Sedimentation auf der Einlaufplatte zu den Turbinen festzustellen. Nach einer deutlichen Zunahme im Zuge des Hochwassers im Juni 2013 blieben Größe und Lage der Sedimentation bis zum Jahr 2021 nahezu unverändert. Das ausgeprägte Hochwasserereignis im Juli 2021 hatte jedoch eine erneute Zunahme der Sedimentation zur Folge, woraus zeitweise Einschränkungen im Kraftwerksbetrieb resultierten. Die von der Energiedienst Holding AG beauftragten Untersuchungen zielen zunächst auf ein vertiefendes Systemverständnis hinsichtlich der auftretenden Sedimenttransportprozesse ab und haben darauf aufbauend eine Verbesserung der Sedimentationssituation auf der Einlaufplatte des Kraftwerks zum Ziel. Zu diesem Zweck werden Faktoren und Wirkmechanismen, die einen maßgebenden Einfluss auf die Sedimentation haben, ermittelt und untersucht. Hieraus sollen etwaige Maßnahmen zur Minderung der Sedimentation abgeleitet und evaluiert werden. Die zugrundeliegenden Untersuchungen basieren auf einer hybriden Vorgehensweise, die den Einsatz eines physikalischen Modells sowie zwei- und dreidimensionaler numerischer Modelle der Stauhaltung und der Laufwasserkraftanlage beinhaltet.  

Schlagworte: Hybride Modellierung, Sedimenttransportmodellierung, Wasserkraft

Auftraggeber: Uniper Kraftwerke GmbH
Bearbeitungszeit: 2020-2022
Bearbeiter: Dipl.-Ing. Swantje Dettmann, M. Sc. Tobias Vogtmann

Zu Schulungs- und Übungszwecken sowie zur Veranschaulichung des Systemverhaltens der Donau (Pegel Donauwörth bis Passau) wird ein Hochwasser- und Trainingssimulator für den Betrieb der Staustufen im Zuständigkeitsbereich der Uniper Kraftwerke GmbH entwickelt. Dieser wird dem Anwender die Möglichkeit geben, ausgewählte Abflusssituationen wiederholt ablaufen zu lassen und dabei die hydraulische Situation sowie die Reaktionen der Regelungen oder, im Handbetrieb, die Auswirkungen der eigenen Fahrweise zu überprüfen und zu vergleichen. Durch Nutzung des Simulators wird es dem Wartenpersonal bzw. Anwender ermöglicht, ein fundiertes Prozessverständnis zu erlangen, wie es sonst nur durch jahrelange praktische Erfahrung erreicht werden kann.

Schlagworte: Staustufensteuerung, Trainingssimulator

Auftraggeber: Rheinkraftwerk Säckingen AG
Bearbeitungszeit: 2021
Bearbeiter: M.Sc. Fabian Popp

Im Rahmen eines vorangegangenen Projekts wurden am Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft die Freiborde an den Uferdämmen der Stauhaltung Säckingen am Hochrhein zwischen Rhein-km 122,1 und Rhein-km 129,4 für verschiedene Hochwasserabflüsse untersucht. Neben dem Betrieb der Wehranlage mit einer Öffnung aller Wehrfelder ist für die Ermittlung der Freiborde auch der n-1-Fall, also der Betrieb der Wehranlage mit einem geschlossenen Wehrfeld, relevant. Für den n-1-Fall liegen am Rheinkraftwerk Säckingen aufgrund einer über die letzten Jahrzehnte durch Anlandungsprozesse veränderten Sohlgeometrie keine gesicherten Informationen hinsichtlich des maßgebenden Oberwasserstands an der Stauanlage im Hochwasserfall vor. Im Rahmen des Projekts untersucht das Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft im Auftrag der Rheinkraftwerk Säckingen AG die Strömungssituation an der Wehranlage und die hieraus resultierende Hochwassersituation in der Stauhaltung für den n-1-Fall mit der aktuellen Sohlgeometrie. Die Untersuchungen basieren auf einem dreidimensionalen hydrodynamisch-numerischen (3D-HN-) Modell der Stauanlage und zweidimensionalen hydrodynamisch-numerischen (2D-HN-) Modellen der angrenzenden Stauhaltungen.

Schlagworte: 3D-HN-Modellierung, 2D-HN-Modellierung, Bauwerkshydraulik, Hochwassersimulation

Auftraggeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen: 02WM1533E
Bearbeitungszeit: 2020 - 2022
Bearbeiter: M.Sc. Martin Klein, M.Sc. Sarah Dickel

Die SALAM 2 Projektinitiative - Grenzüberschreitende IWRM-Strategien zur Lösung des Wasserdefizitproblems im Nahen Osten - hat das Ziel, grenzüberschreitende, integrale Wassertransferstrategien zur Lösung des Wasserdefizits im Nahen Osten zu entwickeln, unter Berücksichtigung der Anpassung an den Klimawandel, der Rehabilitierung von Ökosystemen und der Sicherung der politischen Stabilität durch die Vermeidung von Wasserkrisen.
Ziel des Teilvorhabens 5 des Fachgebietes Wasserbau und Wasserwirtschaft ist die Weiterentwicklung, der Transfer und die Etablierung von innovativen Methoden, Planungsinstrumenten und Lösungen für die Steuerung und Wasserverteilung im Einzugsgebiet des See Genezareth und des unteren Jordans.
Aufgrund der zum Teil hohen Geländegefälle bei den vorhandenen bzw. möglicherweise geplanten Pipelines wird das Thema Wasserkraft entsprechend mitberücksichtigt, um die zusätzlich benötigte Energie zum Betrieb der Meerwasserentsalzungsanlagen zu verringern. Es wird ein Tool entwickelt, mit dem die Echtzeitsteuerung der Anlagen simuliert und das als DSS eingesetzt werden kann. Es bietet die Möglichkeit, optimierte Abgabestrategien im Bereich der Kurzzeitsteuerung zu bestimmen und dabei eine große Anzahl eingehender Parameter zu berücksichtigen. Die Forschungsarbeit leistet einen Beitrag zur großskaligen, mehrkriteriellen Optimierung von Speichern und zugehörigem Wasserverteilungssystem.

Schlagworte: Wasserverteilungssysteme, großskalige und mehrkriterielle Steuerung und Optimierung

Auftraggeber: Amt der Oö. Landesregierung
Bearbeitungszeit: 2019 - 2021
Bearbeiter:  M.Sc. Tobias Vogtmann, M.Sc. Sarah Dickel

Im Rahmen des Projekts findet eine Untersuchung des Wellenablaufs an Ischl und Traun zwischen Hallstätter See, Wolfgangsee und Traunsee statt. Mittels hydrodynamisch-numerischer Verfahren soll durch Simulation von Hochwasserereignissen die Abflussdynamik in Hinblick auf Wellenlaufzeit und Retentionseffekte abgebildet werden. In Kombination mit Vorhersagedaten ist zudem eine Entscheidungsunter-stützung für die Betriebsweise im Hochwasserfall möglich.

Schlagworte:1D-HN-Modellierung, Hochwassersimulation, Wellenablauf

Auftraggeber: Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU)
Bearbeitungszeit: 2016-2021
Bearbeiter: M. Sc. Sarah Dickel, M. Sc. Tobias Vogtmann

Der Inn ist wie viele andere deutsche Flüsse staugeregelt und zu einer Staustufenkette ausgebaut. Ein wichtiger Bestandteil der Aufgaben eines Staustufenbetreibers ist demnach auch der sichere Betrieb der Stauanlagen und die Steuerung der Kontrollorgane wie Kraftwerke und Wehre. Ziel ist es, die Betriebsweise jeder einzelnen Staustufe innerhalb der Kette derartig zu koordinieren, dass den teilweise konträren Nutzungsanforderungen entsprochen werden kann. Insbesondere nach Extremereignissen ist dabei von Interesse, inwieweit die jeweilige Betriebsweise den Abfluss an der betreffenden Staustufe dämpft oder sogar verstärkt. Die Untersuchungen für den Istzustand des Inns zielen darauf ab, ob es durch modifizierte Wehrbetriebsordnungen Potentiale gibt, den Hochwasserabfluss des Inns zu verringern. Grundlage der Untersuchungen bildet ein eindimensionales hydrodynamisch-numerisches Modell (1D-HN-Modell) der gesamten Gewässerstrecke von 211 km Länge mit insgesamt 15 Staustufen. Dieses ist mit Modulen zur Ansteuerung der Kontrollbauwerke und der Bewirtschaftung von Staustufenketten gekoppelt, so dass die Wechselwirkungen zwischen den Zu- und Abflüssen an den Staustufen und den Wasserständen im Stauraum berechnet sowie die Betriebsvorgaben an den Staustufen hinsichtlich ihrer Wirkung auf Wasserstand und Abfluss überprüft werden können.

Schlagworte: Hochwasserschutz, Staustufensteuerung

Zum Themenkomplex Wasserkraft werden in den nachfolgend genannten Themenfeldern Untersuchungen für verschiedene Betreiber im In- und Ausland durchgeführt.

  • Fließgewässer‑ und Stauraummodellierungen (Wasserstände, Fließgeschwindigkeit, etc.)
  • Turbinenschnellschluss, Auswirkungen bei Versagen von Stauanlagen
  • Optimierung der Bauwerksgestaltung (Zu- und Abströmungen)
  • Verbesserung des Betriebs der Wasserkraftanlagen und Stauraumbewirtschaftung
    (Staustufensteuerung, Einsatzoptimierung)
  • Studien zum Wasserkraftpotenzial an Einzelstandorten und in Gewässersystemen
  • Entwicklung ökologischer Verbesserungsmaßnahmen (v. a. Mindestabfluss, Durchgängigkeit, Fischschutz, ökologische Ausgleichsmaßnahmen)

In seiner 30-jährigen beruflichen Tätigkeit hat Prof. Theobald Untersuchungen und Modellierungen zu mehr als 100 Stauhaltungen/Kraftwerken durchgeführt. Als untersuchte Flüsse sind beispielsweise Rhein, Donau (Deutschland und Österreich), Isar, Inn, Lech, Iller, Main, Drau, Ruhr, Mosel, Fulda, Eder, Neckar, Wolga sowie verschiedene Flüsse in China zu nennen.