Hydrodynamische Prozesse beim Füll- und Entleervorgang belüfteter unterirdischer Pumpspeicherbecken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wurden erstmalig die in möglichen unterirdischen Pumpspeicherreservoirs auftretenden hydrodynamischen Prozesse untersucht und dargestellt. Der Schwerpunkt lag auf Kanalsystemen mit einem großen Längen- zu Höhenverhältnis mit Freispiegelabfluss. Das Konzept beinhaltet die Variation relevanter betrieblicher und konstruktiver Einflussparameter. Zwingend erforderlich sind die Kenntnis der maximalen Wasserstände zur konstruktiven Bemessung (Freibord) und die Kenntnis der Wellengeschwindigkeiten und Schwingungsdauern zur betrieblichen Bemessung (Reservoir-Dämpfung). Die Simulation der hydrodynamischen Prozesse erfolgte durch eine hybride Modellierung, die hier eine Kombination aus experimentellen und numerischen 3D- und 2D-Untersuchungen darstellt. Mögliche Modell- und Maßstabseffekte wurden aufgezeigt und durch die Kombination der unterschiedlichen Methoden minimiert. Durch die hybride Modellierung und die umfangreiche Qualitätskontrolle sind die Fehler der Messungen und Simulationen gering und der Nutzen der Untersuchungsergebnisse wird besonders hoch eingestuft. Die hydrodynamischen Prozesse wurden hier in globale Strömungseffekte und lokale Strömungsprozesse unterschieden. Dabei sind unter globalen Effekten die zeitabhängigen Mittelwerte der Messergebnisse zu verstehen, die während des Turbinen- und Pumpenbetriebs von unterirdischen Pumpspeicherwerken auftreten können. Es handelt sich dabei speziell um Füllungen und Leerungen der Reservoirs sowie Füll- und Leerstopps. Lokale Strömungsprozesse sind einzelne, örtlich auftretende Strömungsprozesse, die während des Betriebs entstehen, sie überlagern die globalen Effekte. Die Relevanz der lokalen Prozesse wurde aufgrund der maximalen Abweichungen zu den globalen Effekten bestimmt. Diese sind für die Füllung am größten, weshalb der Kernpunkt der Analyse der lokalen Prozesse auf diesem Vorgang lag. Mithilfe der Untersuchungsergebnisse wurden in Abhängigkeit der betrieblichen und konstruktiven Faktoren Berechnungsansätze für den maximalen Wasserstand, die Fließgeschwindigkeit und die Reservoir-Dämpfung erstellt. Die Analyse ermöglichte eine Entwicklung von dimensionslosen Berechnungsformeln, die durch Ergänzung von Sicherheitsfaktoren als Bemessungsansätze dienen können. Die Arbeit stellt die weltweit ersten Untersuchungen zu hydrodynamischen Prozessen in unterirdischen Pumpspeicherreservoirs dar, wodurch der Bedarf an zukünftige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deutlich wurde. Diese Untersuchungen sollten vor allem die unterschiedlichen geologischen Eigenschaften in den möglichen Einsatzgebieten sowie Kavernensysteme aus Einzelkavernen mit einem großen Höhen- zu Längenverhältnis umfassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2016): Analyse der Strömungsprozesse in unterirdischen Tiefspeichern von Pumpspeicherwerken mit Telemac2D. In: Wasserwirtschaft, Vol. 2/3, 62-67
Kreyenschulte, M.; Pummer, E.; Schüttrumpf, H.
- (2016): Hybride Modellierung der hydrodynamischen Prozesse in unterirdischen Pumpspeicherreservoirs. Dissertation. Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, RWTH Aachen University, Aachen
Pummer, E.
- (2017): Die Wellenbildung in unterirdischen Pumpspeicherreservoirs. In: Wasser und Abfall, Vol. 1/2, 23-27
Pummer, E.; Schüttrumpf, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s35152-017-0003-2) - (2017): Water and air waves in very long underground pumped-storage reservoirs. HYDRO 2017: Shaping the future of hydropower; Seville, Spain, 9 to 11 October 2017 / publ. by The International Journal on Hydropower and Dams
Pummer, E.
- (2018): Reflection Phenomena in Underground Pumped Storage Reservoirs. In: Water 2018, 10(4), 504
Pummer, E.; Schüttrumpf, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/w10040504) - (2020): Hybride Modellierung der hydrodynamischen Prozesse in unterirdischen Pumpspeicherreservoirs -Kurzfassung und Folgeentwicklungen. In: Wasserwirtschaft, Vol. 5, 21-28
Pummer, E.
