Die Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen ist eine Thematik, die heute wie nie zuvor in die Forschung Einzug hält. Nicht an letzter Stelle steht dabei die Energieerzeugung aus Wasserkraft, welche eines der Hauptthemen des Besuches in der Ingenieurfakultät darstellte.
Zunächst erhielten wir eine allgemeine Einführung in die Fakultät durch Herrn Dr. Bruch, der uns unter anderem die verschiedenen möglichen Forschungsbereiche und Studiengänge darlegte. Angehende Bauingenieure beschäftigen sich intensiv mit Ressourceneffizienz, Recycling, Nachhaltigkeit und der Materialwissenschaft im Bau.
Im Studiengang Umweltingenieurswesen befasst man sich eingehend mit Mobilität und Transportsystemen. Dabei wird unter anderem das Mobilitätsverhalten der Menschen, die Verkehrsplanung, der Schienenbau sowie das Thema Elektromobilität behandelt. Einen sehr wichtigen Bestandteil der Forschung der Fakultät bilden die Hydro- und Geowissenschaften. Themen wie Hangbewegungen, Geothermie, Tunnelbau oder Wasserressourcen werden dabei genauer betrachtet. Der Ingenieur soll dann als Spezialist für Umwelt, Ressourcen oder den Umgang mit Gefahren agieren können. Spannend gestaltet wird das Studium durch die Arbeit mit Simulations- und Hydromechaniklaboratorien. Auch die Entwicklung anspruchsvoller numerischer Methoden zur Computermodellierung im Bauwesen stellt einen Bereich der wissenschaftlichen Arbeit dar.
Anschließend besuchten wir das Hydromechaniklabor, von dem ein Teilbereich den Studenten zur Verfügung steht, damit sie anhand von Experimenten eigene Erfahrungen sammeln können. Hier führten wir verschiedene Versuche durch, begonnen mit dem Start einer Rakete, die wir durch den Druck einer Luftpumpe zunächst mit Luft und anschließend halb mit Wasser befüllt starten ließen. Aufgrund des Impulserhaltungssatzes flog die wassergefüllte Rakete signifikant höher. Im Anschluss betrachteten wir im genannten Studentenlabor den Reynolds-Fadenversuch. Dabei wird ein Farbfaden aus Tinte in eine Rohrströmung eingespritzt, der bei laminarer bzw. turbulenter Strömung jeweils unterschiedliches Verhalten aufweist. Des Weiteren demonstrierte uns Dr. Ing. Daniel Quosdorf die sogenannte Particle Image Velocimetry, die eine Methode zur Geschwindigkeits- und Richtungsbestimmung einer Strömung in einer Flüssigkeit darstellt. Diese funktioniert durch Suspension von kleinsten Kunststoffpartikeln mit einem Durchmesser unter 50 µm in einer Flüssigkeit, in unserem Fall Wasser, und anschließender Aufnahme zweier Bilder in kurzem Abstand hintereinander (z. B. 600 µs) mithilfe eines Laserblitzes und einer Kamera. Diese Bilder werden daraufhin von einem Computer übereinandergelegt, die Geschwindigkeiten der Partikel statistisch ausgewertet und die dazu gehörenden Geschwindigkeitsvektoren mithilfe der sogenannten Kreuzkorrelation berechnet. Im Experiment zeigte Dr. Ing. Quosdorf die Visualisierung der Strömungsverhältnisse stromabwärts eines unter Wasser fixierten Zylinders. Als Anwendungsmöglichkeiten nannte er zum Beispiel die modellhafte Untersuchung der Windströmung beim Auftreffen auf Bauwerke.
Der nächste Programmpunkt bestand aus dem Besuch des seit 1913 bestehenden Dieter-Thoma-Labors, derzeit verwendet für den Lehrstuhl für Wasserbau von Prof. Peter Rutschmann. Dieser war begleitet von spannenden Demonstrationen zur Hydroelektrizität. Um uns den Lehrstuhl vorzustellen, erklärte uns Dr. Ing. Wilfried Knapp die Bedeutung des Labors und erläuterte uns einige dort geplante und erprobte Projekte. Eines der Themen war der Wasserbau, bei dem die möglichen Gefahren und Katastrophen, denen beispielsweise ein Damm standhalten muss, simuliert werden, um eine mögliche Abhilfe zu erforschen. Weiterhin beschäftigt man sich an diesem Lehrstuhl mit Flussläufen, die nachgebaut werden, um anhand der Modelle natürliche Flussläufe wiederherzustellen. Wasserkraftanlagen werden ebenfalls genauer betrachtet. Sehr deutlich wurden bei diesem Vortrag das Ziel und der Nutzen der Wasserkraft, da Energie aus Wasserkraft eine Möglichkeit ist, das Verbrennen fossiler Brennstoffe abzulösen.
Im Dieter-Thoma-Labor selbst beschäftigt man sich allerdings mit der Entwicklung einer Baureihe von Kaplan-Halbspiral-Turbinen, Modellversuchen für Turbinenhersteller, dem Wave Dragon (ein schwimmendes Wellenkraftwerk), der Turbinenentwicklung für ein Gezeitenkraftwerk und der studentischen Ausbildung.
Im darauffolgenden Teil ging es um die (grobe) Funktionsweise eines Wasserkraftwerks. Dr. Ing. Knapp erläuterte die verschiedenen Turbinentypen sowie die jeweiligen Anwendungsbereiche und machte die Unterscheidung zwischen Niedergefälleanlagen (5-20 m Fallhöhe), Mittelgefälleanlagen (20-200 m Fallhöhe) und Hochgefälleanlagen (200-2000 m Fallhöhe) deutlich. So werden verschiedene Turbinentypen für die unterschiedlichen Fallhöhen eingesetzt. Auch die Bedeutung von Pumpspeicherwerken für die Energiespeicherung wurde uns genauer erklärt. Dabei fungieren Francisturbinen als reversible Pumpturbinen, um Wasser bei Energieüberschuss zur „Energiespeicherung“ in das höher gelegene Speicherbecken zu pumpen. Bei Bedarf kann das Wasser wieder durch die Turbinen abgelassen werden, um den Strom zu regenerieren. Dieses Verfahren dient dazu, die Leistung von schwer oder nur langsam regelbaren Kraftwerken auszugleichen.
Auch die Problematik der Kavitation erklärte Dr. Ing. Knapp ausführlich. Die Kavitation (von lat. cavitare „aushöhlen“) ist ein für die Wasserkraft meistens ungewollter Effekt, bei dem durch lokale sehr kleine Drücke im Wasser (d. h. unterhalb des Dampfdrucks des Wassers) das Wasser an dieser Stelle verdampft und ein mit Wasserdampf gefüllter Hohlraum bzw. eine „Blase“ entsteht, die daraufhin schlagartig wieder in sich zusammenfällt („Stoßkondensation“). Dabei können Stoßdrücke von bis zu 1000 bar entstehen, die auf das System und vor allem auf die Materialoberfläche, an der die Kavitationsblasen entstehen, sehr destruktiv wirken, was als Kavitationserosion bezeichnet wird. Eine Möglichkeit zur Minderung der Auswirkungen besteht darin, Luft in das Turbinengehäuse einzuspritzen, die die Stoßdrücke aufgrund ihrer Kompressibilität teilweise absorbieren kann.
Diesen Effekt und die Funktionsweise der Turbinen demonstrierte Dr. Ing. Knapp und sein Team daraufhin sehr anschaulich an funktionsfähigen Modellen im Labor.
Zum Abschluss unseres Besuchs am Lehrstuhl wurde uns noch eine „Sandbox“ vorgestellt, anhand der mithilfe eines Projektors und einer Kamera Niederschlagsereignisse simuliert werden können.
Wir bedanken uns im Namen des TUM-Kollegs bei allen Organisatoren und Beteiligten für diesen spannenden und lehrreichen Tag an der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt.
Leonardo Beer und Jakob Seils

Start der Wasserrakete

Aufbau des Reynolds-Fadenversuchs im Studentenlabor

Der Reynolds-Fadenversuch soll den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung veranschaulichen.

Laminare Strömung im Rohr, sichtbar gemacht durch Tintenspur

Die Tintenspur würde sich mit dem Wasser (gleichmäßig) vermischen, läge eine nicht laminare, also turbulente Strömung vor.

Aufbau zur Particle Image Velocimetry im Hydromechaniklabor

Visualisierung der Strömungsvektoren am Bildschirm

Peltonturbine (Modell) im Betrieb, mit Stroboskop

Bei der Peltonturbine, die vor allem in Hochgefälleanlagen Verwendung findet, tritt das Wasser aus einer Düse aus und „schießt“ auf die Turbinenblätter. Diese sind löffelähnlich geformt, um die Energieausbeute zu maximieren. Ein bekanntes Kraftwerk, in denen Peltonturbinen verwendet werden, ist das Walchenseekraftwerk. Der Vorteil von Peltonturbinen liegt in der geringen Wartungsanfälligkeit.

Kaplanturbine

Die Kaplanturbine, die vor allem in Niedergefälleanlagen eingesetzt wird, besitzt verstellbare Turbinenblätter, um die Drehzahl und damit die Leistung zu regulieren. Wegen der guten Regulierbarkeit bei schwankenden Durchflussmengen ist die Kaplanturbine besonders gut für Flusskraftanlagen geeignet.

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Verstellbare Leitschaufeln des Spiralgehäuses der Francisturbine

Kavitationsbläschen stromabwärts der Turbine

Am weißen Pfeil sind die mit Wasserdampf gefüllten Hohlräume zu sehen, bevor sie am blauen Pfeil (stromabwärts) wieder kollabieren.

Francisturbine (Modell) im Betrieb

Bei der hauptsächlich für Mittelgefälleanlagen verwendeten Francisturbine wird das Wasser durch das Spiralgehäuse in eine Drehbewegung versetzt. Danach entzieht ein Laufrad dem Wasser mit in Gegenrichtung gekrümmten Schaufeln die Energie und überträgt diese über eine Welle zum Generator. Francisturbinen werden für Pumpspeicherwerke eingesetzt, da sie sich bei geeigneter Auslegung auch als Pumpe verwenden lassen. Einziger Nachteil der Francisturbine ist der verhältnismäßig hohe Fertigungsaufwand.

Regelapparat zur Regulierung der Durchflussmenge und Einströmungsrichtung an der Francisturbine

Kavitationsbläschen an einer Turbinenschaufel

Die sichtbare Kavitation an der Schaufeloberfläche ist der Effekt, der auf Turbinen schädlich wirkt. Die kollabierenden Hohlräume sorgen dafür, dass die Materialoberfläche regelrecht zerfressen wird.