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Fachbereich Bauingenieurwesen

Entwicklung eines ökologisch verträglichen Systems zur Nutzung sehr niedriger Fallhöhen an Fließgewässern

WDM Prinzip Zeichnung L

 Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines ökologisch verträglichen Systems zur Nutzung sehr kleiner Wasserkräfte. Bei in der Vergangenheit durchgeführten Untersuchungen konnten vielversprechende Ergebnisse mit einem Wasserkraftkonverter für sehr geringe Fallhöhen (< 2 m) erzielt werden. Im Fokus des Forschungsvorhabens steht, diese Idee weiterzuverfolgen und die Anlage hinsichtlich Ökologie und Wirtschaftlichkeit zu optimieren sowie die Maschinenkomponenten zu modularisieren.

 

Anlass und Motivation

Eines der primären Ziele des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (kurz EEG) ist die Förderung der Weiterentwicklung und Verbesserung der Technologien zur Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen. Eine zentrale Forderung des EEG ist die stetige Steigerung des Anteils an erneuerbaren Energien im bundesdeutschen Energiemix. So fordert das Gesetz als langfristiges Ziel bis zum Jahr 2050 den bis dahin benötigten Energiebedarf zu 80 % aus regenerativen Energiequellen abzudecken. Ende 2012 belief sich der Anteil der Erneuerbaren Energien in Deutschland auf insgesamt 21,9 %, wobei 3,5 % des Gesamtenergiebedarfs durch Wasserkraft abgedeckt wurde.

Die Wasserkraft ist eine der ältesten Formen der erneuerbaren Energien, bedenkt man, dass sie seit Jahrhunderten in Form von Wassermühlen und Schöpfrädern genutzt wird. Viele der früher genutzten Mühlenstandorte mit Fallhöhen bis zwei Meter werden heute aufgrund mangelnder Wirtschaftlichkeit nicht mehr genutzt. Zahlreiche Nebenanlagen (Ausleitungskanäle, Wehre etc.) sind jedoch noch vorhanden und führen insgesamt zu einer ökologischen Verschlechterung des Gewässers wie z.B. Einschränkung oder Verhinderung von Wanderungen von Fischen und Makrozoobenthos, Unterbrechung des Sedimenttransports oder die Verlandung von Staubecken.

WDM ISO LDiese Aspekte stehen stark konträr zu den Forderungen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL). Die EU-WRRL ist eine Handlungs- und Ausführungsvorschrift mit dem Ziel die Wassernutzung nachhaltiger und umweltverträglicher auszurichten. Zentrale Forderung der Richtlinie ist die Herstellung eines guten ökologischen Zustands der Gewässer bis zum Jahr 2015. Dies bedeutet unter anderem, dass die Durchgängigkeit des Gewässers für aquatische Lebewesen und Sedimente möglich ist. Aus diesen Zielen resultiert auch an vielen alten Mühlenstandorten ein Handlungsbedarf. Dies kann entweder durch die Reaktivierung und somit Nutzung durch eine Wasserkraftanlage, welche sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Kriterien berücksichtigt, geschehen, oder durch Rückbau der Wander- und Sedimenttransporthindernisse.

 Zielsetzung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines ökologisch verträglichen und wirtschaftlichen Systems zur Wasserkraftnutzung an Standorten mit Fallhöhen zwischen einem und zwei Metern. Aufgrund der geringen Fallhöhen und der daraus resultierenden geringen Leistung liegt der Schwerpunkt der wirtschaftlichen Optimierung insbesondere bei der starken Vereinfachung und Modularisierung der Konstruktion sowie Nutzung einfacher und kostengünstiger Komponenten bzw. Herstellungsprozesse. Diese Maßnahmen sollen zu einer signifikanten Reduktion der Herstellungs- und Betriebskosten sowie zur Vereinfachung von Bau und Betrieb der Anlagen führen.

Im Hinblick auf die Ökologie steht insbesondere die abwärts gerichtete Passierbarkeit der Wasserkraftanlage für aquatische Lebensformen im Fokus. Hier soll untersucht werden, inwieweit Fische die Wasserkraftanlage unbeschadet passieren können und wie diese zur Verbesserung der Passierbarkeit optimiert werden kann.

Durch diese Optimierungen könnten zahlreiche bestehende Standorte reaktiviert werden, um ökologisch verträglich Energie zu produzieren. Weiter könnten neue Anwendungsfelder insbesondere in Entwicklungsländern erschlossen werden, da hier einfache und robuste Technologien für eine dezentrale Stromversorgung gesucht werden. Um die genannten Ziele zu erreichen, ist im Rahmen des Forschungsvorhabens geplant, die Wasserdruckmaschine (WDM), ein Wasserkraftwandler für sehr geringe Fallhöhen, weiter zu analysieren und zu optimieren.

Technologie

WDM Prinzip Zeichnung LDie Wasserdruckmaschine (WDM) ähnelt in ihrem Aussehen einem Wasserrad, weist jedoch hinsichtlich der Funktionsweise deutliche Unterschiede auf: Wasserdruckmaschinen haben im Vergleich zu üblichen Wasserrädern deutlich weniger Schaufeln (12 statt ca. 50) und in der Radmitte eine geschlossene Nabe. Die Nabe dient dazu, das Oberwasser aufzustauen und damit den Oberwasserstand zu erhöhen. Der so entstehende erhöhte hydrostatische Druckunterschied zwischen Ober- und Unterwasser kann effizient genutzt werden. Dass die Technologie vom Grundsatz her funktioniert, konnte in zahlreichen Laborversuchen nachgewiesen werden. Es konnten mechanische Wirkungsgrade bis ca. 80 % über ein breites Abflussspektrum erreicht werden. Aufgrund der geringen Schaufelzahl sind die Zellen relativ groß. Dies kombiniert mit geringen Drehzahlen (ca. 12 Umdrehungen pro Minute) lassen einen ungehinderten Durchgang für kleine Fische und andere Lebewesen durch die Wasserdruckmaschine vermuten.

Methodisches Vorgehen

Die Basis für die Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojektes bildet ein physikalisches und ein numerisches Modell. Zum einen wird ein physikalisches Modell einer WDM in der Wasserbauhalle der Hochschule Darmstadt aufgebaut. Es wird dazu genutzt, die abwärts gerichtete Passierbarkeit für Fische zu untersuchen. Dies erfordert ein großmaßstäbliches Modell (Maßstab ca. 1:2,5), da die Größe der Tiere nicht skaliert und das Verhalten der Fische in keiner Form simuliert werden kann. Weiter wird das physikalische Modell dazu verwendet das numerische Modell, welches mit der CFD-Software FLOW-3D berechnet wird, mit realen Messwerten zu kalibrieren.

Mit dem kalibrierten numerischen Modell lassen sich im Anschluss effizient verschiedene geometrische Komponenten der Anlage modifizieren und strömungstechnisch optimieren. Diese Ergebnisse können dann im Anschluss am physikalischen Modell wieder überprüft werden.

Zentrale Ziele

Ziel des Forschungsvorhabens ist es wissenschaftlich fundierte Aussagen zur Funktionsweise und zur ökologischen Qualität der Wasserdruckmaschine zu machen. Im Detail werden folgende Ziele verfolgt:

  • Optimierung der Schaufelform sowie Ein- und Auslaufgeometrie
  • Prüfung der Machbarkeit einer partiell flexiblen Schaufelgeometrie zur Verbesserung des Fischschutzes bei gleichbleibendem Wirkungsgrad / Leistung
  • Erhöhung der Passierbarkeit der Anlage für Fische
  • Analyse der Hochwasserverträglichkeit der Wasserkraftanlage
  • Modularisierung und Vereinfachung der Maschinenkomponenten

 Weitere Infos

Projekttitel

 

Entwicklung eines ökologisch verträglichen, modularen Systems zur Nutzung kleiner Wasserkräfte mit sehr niedrigen Fallhöhen

Förderung

 

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit

Projektpartner

 

Technische  Universität Braunschweig - Dr.-Ing. Katinka Koll

Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie, Sofia - Univ.-Doz. Dr.-Ing. Dimitar Kisliakov

Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischereie - Dr. Christian Wolter

University of Southampton - Dr. Gerald Müller

Ingenieurgesellschaft Nussbaum - Dipl.-Ing. Andreas Nussbaum

BGU Umweltschutzanlagen GmbH - Dipl.-Oec. Claus Steinbrenner

Verantwortliche

 

Prof. Dr.-Ing. Nicole Saenger

Olivier Schwyzer M.Eng.

Martin Weber B.Eng.

Download

 

WDM Plakat Tag der Forschung v.2013

Literatur

 

 

 

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