Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach

Hannes Blindenhöfer; Wolfgang Richter

Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach

Translated title of the contribution: Hydraulic design and optimisation of the underground storage cavern of the Forbach PSP

Hannes Blindenhöfer^*, Wolfgang Richter

^*Corresponding author for this work

Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management (2130)

Research output: Chapter in Book/Report/Conference proceeding › Conference paper › peer-review

Abstract

In the course of the renovation and extension of the Rudolf-Fettweis hydropower plant Forbach, EnBW AG intends the construction and operation of the Forbach pumped storage plant (PSP). This includes the reconstruction of the Schwarzenbach
and the Murg hydro power plants, integrated in a new cavern power plant with extended pump storage capacity. The existing storage of the Schwarzenbach dam as upper reservoir will continue to be used. In order to increase the overall storage capacity of the Forbach PSP, an additional volume of approx.
200'000 m³ must be provided in the lower reservoir. For this, the option of an underground storage cavern was selected, which has amongst others the benefits of small ecological impacts as well as a good acceptance by the local communities.
The underground storage cavern was designed by Tractebel Engineering GmbH based on the experience of the hydraulics engineers and by applying a 1-dimensional flow simulation model. The main emphasis was on avoiding potential
air intrusion during pump operation. To avoid flow separation, which might promote the development of vortices or air intrusion, the flow resistance and tunnel slopes were studied in detail.
In a subsequent step, the underground storage cavern was reassessed by TU Graz in 1-dimensional as well as 3-dimensional numerical models and its functionality could be confirmed. In an optimization process, the hydraulic head losses at the intake bay could be reduced by 30%. Furthermore, the development
of surge waves during transient scenarios was examined and considered as uncritical.

Translated title of the contribution	Hydraulic design and optimisation of the underground storage cavern of the Forbach PSP
Original language	German
Title of host publication	Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel
Subtitle of host publication	Strategie und Innovation in der Wasserkraft Gewässerschutz als Herausforderung für die Wasserkraft Naturgefahren
Editors	Robert Boes
Pages	83-92
Volume	1
Publication status	Published - 15 Sept 2021
Event	Wasserbau-Symposium 2021: Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel - ETH Zürich, Zürich, Switzerland Duration: 15 Sept 2021 → 17 Sept 2021

Publication series

Name	VAW Mitteilungen
Volume	262
ISSN (Print)	0374-0056

Conference

Conference	Wasserbau-Symposium 2021
Country/Territory	Switzerland
City	Zürich
Period	15/09/21 → 17/09/21

Keywords

Unterground pumped storage plant
3D CFD
Transient Hydraulics
Energy Storage
Pumped-Storage Hydropower

Access to Document

Blindenhöfer 2021 Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeicher des PSW ForbachAccepted author manuscript, 514 KBLicence: CC BY-NC-SA 4.0

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Blindenhöfer, H., & Richter, W. (2021). Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach. In R. Boes (Ed.), Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel: Strategie und Innovation in der Wasserkraft Gewässerschutz als Herausforderung für die Wasserkraft Naturgefahren (Vol. 1, pp. 83-92). (VAW Mitteilungen; Vol. 262).

Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach. / Blindenhöfer, Hannes; Richter, Wolfgang.
Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel: Strategie und Innovation in der Wasserkraft Gewässerschutz als Herausforderung für die Wasserkraft Naturgefahren. ed. / Robert Boes. Vol. 1 2021. p. 83-92 (VAW Mitteilungen; Vol. 262).

Research output: Chapter in Book/Report/Conference proceeding › Conference paper › peer-review

Blindenhöfer, H & Richter, W 2021, Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach. in R Boes (ed.), Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel: Strategie und Innovation in der Wasserkraft Gewässerschutz als Herausforderung für die Wasserkraft Naturgefahren. vol. 1, VAW Mitteilungen, vol. 262, pp. 83-92, Wasserbau-Symposium 2021, Zürich, Switzerland, 15/09/21.

Blindenhöfer, Hannes ; Richter, Wolfgang. / Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach. Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel: Strategie und Innovation in der Wasserkraft Gewässerschutz als Herausforderung für die Wasserkraft Naturgefahren. editor / Robert Boes. Vol. 1 2021. pp. 83-92 (VAW Mitteilungen).

@inproceedings{17843c75d03643aa86cbeeb0cc431483,

title = "Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach",

abstract = "Im Zuge der Erneuerung und Erweiterung des Rudolf-Fettweis-Werks Forbach beabsichtigt die EnBW AG den Bau und Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks (PSW) Forbach mit einem Neubau des Schwarzenbachwerks als hochflexibles Pumpspeicherkraftwerk und des Murgwerks als Hochdruckanlage in Kavernenbauweise. Dabei wird die vorhandene Schwarzenbachtalsperre weiterhin alsOberbecken genutzt. Zur Erh{\"o}hung der Speicherkapazit{\"a}t des PSW Forbach muss ein zus{\"a}tzliches Volumen von ca. 200'000 m³ im Unterwasserbereich bereitgestellt werden. Nicht zuletzt, um die {\"o}kologischen Auswirkungen m{\"o}glichst gering zu halten und die Akzeptanz in der Bev{\"o}lkerung zu erh{\"o}hen wurde dieM{\"o}glichkeit eines untert{\"a}gigen Kavernenspeichers zur Erh{\"o}hung des unterwasserseitigen Stauraumvolumens ausgew{\"a}hlt. Der Kavernenspeicher wurde von der Tractebel Engineering GmbH auf der Grundlage einer 1D-Berechnung und der Erfahrung der Hydraulikingenieure dimensioniert. Der Fokus lag hierbei aufder Sicherstellung, dass w{\"a}hrend des Pumpbetriebs keine Luft in die Pumpturbine eingezogen werden kann. Um ein ausreichendes Nachflie{\ss}en sicherzustellen wurden die Flie{\ss}widerst{\"a}nde und die Stollenneigungen genauer untersucht und festgelegt.Die Auslegung des Kavernenspeichers wurde von der TU Graz mittels hydraulischen 1D- und 3D-Berechnungen {\"u}berpr{\"u}ft und dessen Funktionalit{\"a}t best{\"a}tigt.Die hydraulischen Verluste im Unterwasserbereich konnten im Zuge einer Optimierung um nahezu 30% reduziert werden. Au{\ss}erdem wurde die Wellenbildung im Kavernenspeicher mittels 1D numerischer Simulationen untersucht und als unbedenklich erachtet.Die Untersuchungen ergaben interessante Fragestellungen f{\"u}r weitere Forschung, zur Erh{\"o}hung der Wirtschaftlichkeit von Kavernenspeichern. Auch aus diesem Grund stellt die Abwicklung des PSW Forbach ein Projekt dar, das neben seinen technischen Herausforderungen auch ein gutes Beispiel daf{\"u}r ist, dassaus einer Zusammenarbeit von Forschung und Consulting neue und wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden k{\"o}nnen",

keywords = "Unterground pumped storage plant, 3D CFD, Transient Hydraulics, Energy Storage, Pumped-Storage Hydropower",

author = "Hannes Blindenh{\"o}fer and Wolfgang Richter",

year = "2021",

month = sep,

day = "15",

language = "deutsch",

volume = "1",

series = "VAW Mitteilungen",

pages = "83--92",

editor = "Robert Boes",

booktitle = "Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gew{\"a}sserschutz und Klimawandel",

note = "Wasserbau-Symposium 2021 : Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gew{\"a}sserschutz und Klimawandel ; Conference date: 15-09-2021 Through 17-09-2021",

}

TY - GEN

T1 - Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach

AU - Blindenhöfer, Hannes

AU - Richter, Wolfgang

PY - 2021/9/15

Y1 - 2021/9/15

N2 - Im Zuge der Erneuerung und Erweiterung des Rudolf-Fettweis-Werks Forbach beabsichtigt die EnBW AG den Bau und Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks (PSW) Forbach mit einem Neubau des Schwarzenbachwerks als hochflexibles Pumpspeicherkraftwerk und des Murgwerks als Hochdruckanlage in Kavernenbauweise. Dabei wird die vorhandene Schwarzenbachtalsperre weiterhin alsOberbecken genutzt. Zur Erhöhung der Speicherkapazität des PSW Forbach muss ein zusätzliches Volumen von ca. 200'000 m³ im Unterwasserbereich bereitgestellt werden. Nicht zuletzt, um die ökologischen Auswirkungen möglichst gering zu halten und die Akzeptanz in der Bevölkerung zu erhöhen wurde dieMöglichkeit eines untertägigen Kavernenspeichers zur Erhöhung des unterwasserseitigen Stauraumvolumens ausgewählt. Der Kavernenspeicher wurde von der Tractebel Engineering GmbH auf der Grundlage einer 1D-Berechnung und der Erfahrung der Hydraulikingenieure dimensioniert. Der Fokus lag hierbei aufder Sicherstellung, dass während des Pumpbetriebs keine Luft in die Pumpturbine eingezogen werden kann. Um ein ausreichendes Nachfließen sicherzustellen wurden die Fließwiderstände und die Stollenneigungen genauer untersucht und festgelegt.Die Auslegung des Kavernenspeichers wurde von der TU Graz mittels hydraulischen 1D- und 3D-Berechnungen überprüft und dessen Funktionalität bestätigt.Die hydraulischen Verluste im Unterwasserbereich konnten im Zuge einer Optimierung um nahezu 30% reduziert werden. Außerdem wurde die Wellenbildung im Kavernenspeicher mittels 1D numerischer Simulationen untersucht und als unbedenklich erachtet.Die Untersuchungen ergaben interessante Fragestellungen für weitere Forschung, zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Kavernenspeichern. Auch aus diesem Grund stellt die Abwicklung des PSW Forbach ein Projekt dar, das neben seinen technischen Herausforderungen auch ein gutes Beispiel dafür ist, dassaus einer Zusammenarbeit von Forschung und Consulting neue und wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden können

AB - Im Zuge der Erneuerung und Erweiterung des Rudolf-Fettweis-Werks Forbach beabsichtigt die EnBW AG den Bau und Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks (PSW) Forbach mit einem Neubau des Schwarzenbachwerks als hochflexibles Pumpspeicherkraftwerk und des Murgwerks als Hochdruckanlage in Kavernenbauweise. Dabei wird die vorhandene Schwarzenbachtalsperre weiterhin alsOberbecken genutzt. Zur Erhöhung der Speicherkapazität des PSW Forbach muss ein zusätzliches Volumen von ca. 200'000 m³ im Unterwasserbereich bereitgestellt werden. Nicht zuletzt, um die ökologischen Auswirkungen möglichst gering zu halten und die Akzeptanz in der Bevölkerung zu erhöhen wurde dieMöglichkeit eines untertägigen Kavernenspeichers zur Erhöhung des unterwasserseitigen Stauraumvolumens ausgewählt. Der Kavernenspeicher wurde von der Tractebel Engineering GmbH auf der Grundlage einer 1D-Berechnung und der Erfahrung der Hydraulikingenieure dimensioniert. Der Fokus lag hierbei aufder Sicherstellung, dass während des Pumpbetriebs keine Luft in die Pumpturbine eingezogen werden kann. Um ein ausreichendes Nachfließen sicherzustellen wurden die Fließwiderstände und die Stollenneigungen genauer untersucht und festgelegt.Die Auslegung des Kavernenspeichers wurde von der TU Graz mittels hydraulischen 1D- und 3D-Berechnungen überprüft und dessen Funktionalität bestätigt.Die hydraulischen Verluste im Unterwasserbereich konnten im Zuge einer Optimierung um nahezu 30% reduziert werden. Außerdem wurde die Wellenbildung im Kavernenspeicher mittels 1D numerischer Simulationen untersucht und als unbedenklich erachtet.Die Untersuchungen ergaben interessante Fragestellungen für weitere Forschung, zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Kavernenspeichern. Auch aus diesem Grund stellt die Abwicklung des PSW Forbach ein Projekt dar, das neben seinen technischen Herausforderungen auch ein gutes Beispiel dafür ist, dassaus einer Zusammenarbeit von Forschung und Consulting neue und wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden können

KW - Unterground pumped storage plant

KW - 3D CFD

KW - Transient Hydraulics

KW - Energy Storage

KW - Pumped-Storage Hydropower

M3 - Beitrag in einem Konferenzband

VL - 1

T3 - VAW Mitteilungen

SP - 83

EP - 92

BT - Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel

A2 - Boes, Robert

T2 - Wasserbau-Symposium 2021

Y2 - 15 September 2021 through 17 September 2021

ER -

Hydraulische Auslegung und Optimierung des Kavernenspeichers des PSW Forbach

Abstract

Publication series

Conference

Keywords

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