Aktuelle Forschungsprojekte

Auftraggeber: naturenergie hochrhein AG
Bearbeitungszeit: 2024
Bearbeiter:  M.Sc. Fabian Popp

Für die am Hochrhein oberstrom von Basel gelegenen Laufwasserkraftwerke Ryburg-Schwörstadt und Rheinfelden soll die verfügbare Fallhöhe durch Eintiefungen im Unterwasser der beiden Kraftwerke vergrößert und dadurch eine gesteigerte Stromerzeugung ermöglicht werden. Bereits in der Vergangenheit wurde vor diesem Hintergrund das energetische Potential verschiedener Eintiefungsszenarien im Rahmen von Vorstudien am Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universität Kassel untersucht. Im Zuge des aktuellen Projekts werden für beide Kraftwerke abschließende Vorzugsvarianten für die Unterwassereintiefung erarbeitet und die resultierenden Strömungsverhältnisse im Detail analysiert. Die Simulationsergebnisse dienen dem Auftraggeber zudem als Grundlage für eine im Rahmen des Vorhabens durchzuführende Umweltverträglichkeitsprüfung. Für die hydraulische Analyse kommen 2D-HN-Modelle der Stauhaltungen Rheinfelden und Augst-Whylen sowie ein hochaufgelöstes 3D-HN-Modell des Kraftwerks Ryburg-Schwörstadt zum Einsatz. Mit den Modellen werden die Strömungsverhältnisse unterstrom der beiden Kraftwerke für eine Bandbreite an Abflussszenarien simuliert und hinsichtlich Fallhöhengewinn an den Kraftwerken sowie Änderungen der Strömungssituation im unmittelbaren Bereich sowie oberstrom der Eintiefungsmaßnahmen untersucht. 

Schlagworte: 2D-HN-Modellierung, 3D-HN-Modellierung, Wasserkraft

Auftraggeber: Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU)
Bearbeitungszeitraum: 2023 - 2026
Bearbeitung: M.Sc. Rosalie Diederich, M.Sc. Tobias Vogtmann

Die in den letzten Jahrzehnten aufgetretenen extremen Hochwasserereignisse an Fließgewässern haben vielerorts zu hohen Schäden geführt, weshalb es von Interesse ist, das Potenzial geeigneter Rückhaltemaßnahmen zur Verringerung des Hochwasserabflusses zu untersuchen. Bei staugeregelten Fließgewässern stellt sich die Frage, ob durch ein intelligentes Steuerungsmanagement der Staustufen eine Reduzierung der Hochwasserscheitel und damit der Schäden erreicht werden kann.
Für die als Staustufenkette ausgebaute bayerische Donau wird vor dem oben beschriebenen Hintergrund untersucht, inwiefern durch modifizierte Wehrbetriebsordnungen an den Staustufen Potenziale vorhanden sind, den Hochwasserabfluss der Donau zu verringern. Darauf aufbauend werden unter Berücksichtigung vorhandener Anforderungen resp. Einschränkungen mögliche Steuerungsstrategien entwickelt.
Grundlage der Untersuchungen ist ein eindimensionales hydrodynamisch-numerisches Modell (1D-HN-Modell) der bayerischen Donau. Das Modellgebiet umfasst 20 Stauhaltungen von Neu-Ulm bis Passau mit einer Fließstrecke von insgesamt 354 km. Das 1D-HN-Modell 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: 1D-HN-Modellierung, Hochwasserschutz, Staustufensteuerung

Auftraggeber: LEW Wasserkraft GmbH
Bearbeitungszeit: 2023 - 2024
Bearbeiter: M.Sc. Sophia Bertram

Nördlich von Augsburg staut das Wehr Gersthofen den Lech und speist den rund 18 km langen seitlich abzweigenden Lechkanal, an dem die LEW Wasserkraft GmbH die Ausleitungskraftwerke Gersthofen, Langweid und Meitingen betreibt. Die Wehranlage Gersthofen besteht aus einem senkrecht zur Strömung ausgerichteten Hauptwehr im Mutterbett des Lechs sowie zwei auf der westlichen Seite aus dem Lech abzweigenden Einläufen in den Lechkanal. Im Hochwasserfall kommt es im zugehörigen Flussabschnitt zu einem erhöhten Geschiebetrieb, wobei durch die örtlichen Gegebenheiten bei anhaltendem Kraftwerksbetrieb ein maßgeblicher Teil des Geschiebes in den Lechkanal eingetragen wird. Um eine großflächige Verlandung des Lechkanals zu vermeiden, wird hinter dem südlich gelegenen seitlichen Abzweig ein Geschiebefang betrieben, der bei der derzeitigen Betriebsweise regelmäßig ausgebaggert wird. Vor dem zuvor erläuterten Hintergrund wird im Zuge der Untersuchungen analysiert, wie durch betriebliche und konstruktive Maßnahmen der Eintrag an Geschiebe in den Lechkanal möglichst minimiert werden kann. Gleichzeitig wird untersucht, welche Maßnahmen zu einer Verbesserung der Geschiebedurchgängigkeit im Mutterbett des Lech beitragen können. Für die hydraulische und morphodynamische Analyse des Untersuchungsgebiets kommt ein hochaufgelöstes dreidimensionales hydrodynamisch-numerisches (3D-HN-)Modell zum Einsatz.

Schlagworte: 3D-HN-Modellierung, Sedimenttransportmodellierung, Wasserkraft

Auftraggeber: Wasserwirtschaftsamt Landshut, Uniper Kraftwerke GmbH
Bearbeitungszeit: 2023 – 2024
Bearbeiter:  M.Sc. Martin Klein, M.Sc. Sophia Bertram, Dr.-Ing. Klaus Träbing

Die in den österreichischen Alpen entspringende, 292 km lange Isar fließt ca. an Flusskilometer 75 durch die niederbayerische Stadt Landshut, bevor sie südlich von Deggendorf in die Donau mündet. Aufgrund der hydraulischen und morphodynamischen Eigenschaften des Gewässers kommt es im Bereich der Stadt Landshut zu Sedimentablagerungen. Das abgelagerte Material musste in der Vergangenheit aufwendig durch Baggerungen entfernt werden, um vorgegebene Wasserstände im Gewässer einzuhalten. Vor diesem Hintergrund wird eine Machbarkeitsstudie für einen Kiesfang an der Isar oberstrom von Landshut erstellt. Das Ziel der Machbarkeitsstudie ist es zu prüfen, ob und in welcher Form mit einem Kiesfang als langfristige Strategie Auflandungen in der Isar im Stadtgebiet Landshut minimiert werden können. Im Zuge dessen werden zur Ermittlung des optimalen Standortes und der Optimierung der Wirksamkeit des Kiesfangs ein gegenständliches (physikalisches) sowie zwei- und dreidimensionale hydrodynamisch-numerische (3D-HN-)Modelle erstellt. Mithilfe dieser Modellfamilie werden in einer hybriden Modellierung die komplexen morphodynamischen Wirkmechanismen und Prozesse sowie die Machbarkeit des geplanten Kiesfangs analysiert.

Schlagworte: 3D-HN-Modellierung, gegenständliche (physikalische) Modellierung, 2D-HN-Modellierung, Sedimenttransportmodellierung
 

Auftraggeber: Rheinkraftwerk Säckingen AG
Bearbeitungszeit: 2023 - 2024
Bearbeiter: M.Sc. Fabian Popp, M.Sc. Sophia Bertram

An der am Hochrhein zwischen den Kraftwerken Laufenburg und Ryburg-Schwörstadt gelegenen Stauanlage Säckingen betreibt die Rheinkraftwerk Säckingen AG ein Laufwasserkraftwerk. Zur Verbesserung der Fischdurchgängigkeit ist an der Stauanlage die Errichtung von Fischaufstiegsanlagen vorgesehen. Für eine geeignete Positionierung und Gestaltung dieser Anlagen im Hinblick auf die Auffindbarkeit und Attraktivität für Fische ist die genaue Kenntnis der Strömungssituation im unterwasserseitigen Anschlussbereich an das Hauptgewässer notwendig. Die Strömungssituation im Unterwasser der Stauhaltung ist daher detailliert zu analysieren, um die erarbeiteten Ergebnisse als wesentliche Grundlage für die gesamte Maßnahmenplanung bereitzustellen. Für die Analyse der Strömungssituation im Bereich der Stauanlage Säckingen kommt ein hochaufgelöstes dreidimensionales hydrodynamisch-numerisches (3D-HN-)Modell zum Einsatz. Mit diesem Modell werden für verschiedene Abflusssituationen und Anlagenbeaufschlagungen Berechnungen zur Strömungssituation im Untersuchungsbereich durchgeführt.

Schlagworte: 3D-HN-Modellierung, Bauwerkshydraulik, Wasserkraft

Auftraggeber: Rheinkraftwerk Säckingen AG
Bearbeitungszeit: 2022 - 2024
Bearbeiter:  M.Sc. Tobias Vogtmann

Am Hochrhein mündet die Sissle aus der Schweiz kommend in die Staustufe Säckingen. Um den für die Sissle geforderten Hochwasserschutz für ein HQ₁₀₀ zu gewährleisten, wurden im Herbst 2022 am Unterlauf des Baches umfangreiche Rodungs- und Baggerarbeiten durchgeführt. Im Rahmen des Projektes wird die Strömungssituation während eines hundertjährlichen Hochwasserereignisses auf Basis eines zweidimensionalen hydrodynamisch-numerischen (2D-HN-)Verfahrens simuliert und so die Wirksamkeit der durchgeführten Maßnahme untersucht. Zudem wird ein Monitoring-Verfahren entwickelt, durch das ein dauerhafter Hochwasserschutz möglich ist. Im Rahmen des Projektes werden neuralgische Punkte im Gewässer identifiziert, um durch punktuelle Eingriffe die negativen Auswirkungen einer großräumigen Baggermaßnahme auf die Umwelt zu minimieren.

Schlagworte: 2D-HN-Modellierung, Hochwassersimulation, Sedimenttransportmodellierung

Auftraggeber: VERBUND Innkraftwerke GmbH
Bearbeitungszeit: 2022 - 2024
Bearbeiter:  M.Sc. Martin Klein

An der am Inn zwischen den Kraftwerken Rosenheim und Wasserburg gelegenen Stauanlage Feldkirchen betreibt die VERBUND Innkraftwerke GmbH ein Laufwasserkraftwerk. In einer ersten Untersuchungsphase wurden mit einem zweidimensionalen hydrodynamisch-numerischen (2D-HN-) Modell die Oberwasserstände bei Wehrbetrieb und verschiedenen Abflusssituationen sowie Sohlzuständen der Stauanlage ermittelt. Aufbauend auf der vorangegangenen Studie werden in diesem Projekt die Hochwasserabflüsse HQ₁₀₀ und HQ₁₀₀₀ für die Lastfälle n bzw. n-a mittels 3D-HN-Modelle untersucht. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Oberwasserstände an der Stauanlage maßgeblich von der Sohlenhöhe oberstrom im Bereich des Bauwerks abhängig sind. Daher werden anhand von morphodynamischen 3D-HN-Modellen Ausräumsohlen für das Oberwasser ermittelt. Die Ausräumung wird auf Basis eines definierten Ausgangszustandes mit mobiler Sohle sowie instationären Hochwasserganglinien analysiert. Das Ziel des Projektes ist die Ermittlung der maßgeblichen Oberwasserstände der Stauanlage Feldkirchen für die definierten Hochwassersituationen unter Berücksichtigung der ermittelten Ausräumsohlen.

Schlagworte: 3D-HN-Modellierung, Hochwassersimulation, Sedimenttransportmodellierung

Auftraggeber: Mittelhessische Wasserbetriebe
Bearbeitungszeit: 2022 - 2023
Bearbeiter:  M.Sc. Martin Klein

Im Südwesten der mittelhessischen Stadt Gießen fließt der im Hintertaunus entspringende Kleebach durch den Stadtteil Allendorf an der Lahn, bevor er wenige Kilometer stromab in die Lahn mündet. In der Ortslage wird der Kleebach durch eine Straßenbrücke gequert, an der es zu fließquerschnittsverengenden Sedimentablagerungen kommt. Ziel des Projektes ist es, den Einfluss der Sedimentablagerungen auf die hydraulische Leistungsfähigkeit des Gewässers im Bereich des Brückenbauwerks zu ermitteln. Dafür wird sowohl der Istzustand als auch ein Zustand mit ausgeräumten Sedimenten mittels dreidimensionaler hydrodynamisch-numerischer (3D-HN-)Modelle simuliert. Zur Erhebung der Datengrundlagen wird im Rahmen dieses Projektes vom Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft die Sohlgeometrie mittels wird Tachymeter sowie Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) vermessen. Auf Basis der eigenen Vermessung sowie weiteren Daten werden 3D-HN-Modelle des Untersuchungsgebietes erstellt und hinsichtlich der hydraulischen Größen analysiert.

Schlagworte: 3D-HN-Modellierung, Hochwassersimulation

Auftraggeber: Energiedienst Holding AG
Bearbeitungszeit: 2022 - 2024
Bearbeiter: M.Sc. Fabian Popp, Dr.-Ing. Klaus Träbing

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 hydrodynamisch-numerischer Modelle der Stauhaltung und der Laufwasserkraftanlage beinhaltet.  

Schlagworte: 3D-HN-Modellierung, gegenständliche (physikalische) Modellierung, 2D-HN-Modellierung, Sedimenttransportmodellierung, Wasserkraft

Auftraggeber: Uniper Kraftwerke GmbH
Bearbeitungszeit: 2020 - 2024
Bearbeiter: Dipl.-Ing. Swantje Dettmann, M. Sc. Tobias Vogtmann; M. Sc. Rosalie Diederich

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

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.